利用爆炸法预测卡车车架开裂位置双辽吊钳油压夹头水晶相框滚针轴承

利用爆炸法预测卡车车架开裂位置

使用LS-DYNA软件计算重型卡车动态冲击，通过对8个爆炸点的应力变化、应力起始位置和应力方向进行分析，初步判断车架开裂位置，最后和可靠性疲劳强化破坏试验进行比较，得出的结论可供汽车设计人员参考。

车架疲劳计算

LS-DYNA软件是著名的非线性动力学分析软件，福田汽车工程研究院在2006年引进该软件，用于碰撞安全性能结构耐撞性分析和冲压成型分析。2009年，我们尝试用LS-DYNA软件计算卡车车架动态冲击，并且摸索出卡车车架开裂的一些规律。

疲劳分析是汽车设计当中的最难点，任何车辆在行驶到一定里程后都会存在疲劳开裂的问题，并且开裂位置与加工工艺、司机开车习惯、行驶路况及行驶里程等有着密切的关系。

目前，国内外汽车企业在汽车设计阶段通过CAE方法计算疲劳开裂问题，通常先在ADAMS当中提取整车的载荷，再在NASTRAN软件下计算各种工况的静应关键在推行利用力，最后提交到N-CODE软件当中计算开裂的周期。通常计算结果都是应力大的区域会出现疲劳开裂问题，但是在实际的试验当中我们发现许多应力很大的区域并未出现开裂，而一些应力相对较小的区域却出现了开裂。笔者认为：NASTRAN软件只计算静态受力，但是卡车过坑过坎都属于动态冲击，可以使用LS-DYNA计算整车动态冲击，通过观察应力的扩展等相关信息预测疲劳车架开裂的位置，支持汽车疲劳分析与设计工作。

四轴重型卡车动态冲击模型

某全新设计的8×4卡车车架在设计当中需要预测车架在极限工况下的开裂位置，整车整备质量11t，装货36t（考虑司机超载运输），货厢内共放置18个托盘，每个托盘2t。卡车以50km/h速度过一个30cm的深坑（见图1），轮胎接触深坑地面后急刹车，这个工况是所有疲劳试验当中的最恶劣工况。整车模型包括货厢、车架、副车架、车轴、板簧及轮胎，简化了驾驶室，车架、副车架和轮胎的格最大尺寸为10mm，最小尺寸5mm，格数量为598?173个，用LS-DYN萍乡A软件在4CPU硬件条件下计算花费16h。

图1 重型卡车模型与工况示意模型

轮胎模型是整车动态冲击分析的第一接触点，轮胎模型的准确程度直接影响了整车动态冲击分析的精度。轮胎的模型非常复杂，其中胎冠由9层结构组成，笔者将胎冠简化为3层，分别为轮胎外侧、胎冠和胎冠内侧线层（见图2），每层的材料具体技术参数要求轮胎厂家做试验提供，轮胎内的气压为8.8×105Pa。货厢内的货物装载方式、货物类型会影响车架应力分布，按照企业疲劳试验的工况在货厢内摆放1.1m ×0.9m×1.2m（长×宽×高）的砂箱，在模型当中通过建立rigidlink单元和MASS质量单元的方式来实现（见图3）。

图2 轮胎模型示意

图3 货厢内加载示意

板簧悬架是整车动态冲击分析当中的力学传递重要元件，在建立整车模型之间先对板簧模型按照试验数据进行标定，确保模型当中的板簧刚度与实际相同，并且在板簧和车架支架加入阻尼单元以模拟减振器，具体结构如图4、5所示。

图4 整车双前桥的悬架示意

图5 整车后双驱动桥的悬架示意

整车动态冲击分析结果

LS-DYNA软件计算之后将所有的碰撞结果在HYPERVIEW软件当中进行读取，主要关注平衡桥上端纵梁部分的应力变化、应力方向以及轮胎气压变化，具体结果如下：

在整个动态冲击过程当中轮胎发生了变形（见图6），因为接触深坑地面后立即急刹车，所以三轴的轮胎变形量最大，气压由8.8×105Pa上升到9.2×105Pa（见图7），没有发生爆胎现象。因为气压的变化直接反映了冲击受力情况，气压变化的准确度直接决定了整车动态冲击分析的精度，建议在做实际试验当1级中在轮胎内部加装气压监视系统，将实际试验测量数据与CAE分析数据进行对标，以提高CAE分析的精度。

图6 冲击过程当中轮胎变形示意

图7 三轴轮胎的气压变化

观察平衡桥上端的纵梁各部件的应力变化情况，从冲击开始到冲击达到最大力的过程当中，发现了8个应力爆炸点，从应力产生的顺序标号为1～8号，如图8所示。重点对这8个爆炸点进行详细分析，观察应力变化、应力起始位置和应力的方向。

图8 从冲击开始到冲击达到最大力的过程当中出现的8个应力爆炸点

如图9所示，通过应力扩张云图我们可以发现，这8个爆炸点犹如8颗炸弹在不袒露颗粒较多同地方依次引爆，并且相邻的爆炸点应力云图进行融合。再对这8个点的应力方向进行分析，并且进行统计分类，具体如表所示。8个点的应力方向统计

在后期的可靠性疲劳强化破坏试验当中，在平衡桥区域纵梁上出现了裂纹，所有的开裂点分布都在以上8个区域以内（包括结构对称），而第一个开裂点是7号区域，具体开裂位置与C曝光机AE分析完全相同，但是在CAE计算当中7号点的应力远远低于其他点，这就证明：疲劳开裂区域不一定是应力最大的区域，疲劳开裂受到应力方向、应力位置及应力扩张方向等因素的影响。1号区域虽然应力很大，但是应力爆炸点位于纵梁拐角处并且向周围扩张，而7号区域是由边缘向内扩张，并且在上衬梁的拐角处，容易造成疲劳开裂；在压应力和拉应力比较当中，相同的应力情况下拉微单相机应力容易造成疲劳开裂，所以8水控制器号点没有出现开裂现象。

图9 爆炸点位置的应力扩张云图

结语

疲劳设计是汽车设计领域的最难点，目前还没有精确判断疲劳开裂位置和周期的方法。笔者尝试性做整车动态冲击CAE分析并且与可靠性疲劳强化破坏试验相比较，得到以下结论供各位读者和汽车设计人员参考。

1. 通过LS-DYNA计算动态冲击，并且通过爆炸法来判断疲劳开裂位置是一种非常有效的CAE方法，所得到的数据可以支持汽车疲劳分析与设计工作。

2. 疲劳开裂区域不一定是应力最大的区域，疲劳开裂受到应力方向、应力位置和应力扩张方向等因素的影响。相同的应力情况下拉应力容易造成疲劳开裂，通过有效控制以上因素来提高金属材料的承载能力，对轻量化设计有一定的支持。

3. 卡车纵梁设计中，对于铆接和螺栓连接两种方式，建议使用螺栓连接。螺栓连接对控制螺栓孔开裂有一定帮助。在纵梁设计中，尽量减少在纵梁弯面上开孔。对于连接的衬梁在拐角处扩大拐角半径，防止应力集中。 (end)

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