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淺析大客車(chē)橫向穩定桿的虛擬疲勞分析
關(guān)鍵詞:橫向穩定桿;有限元分析;虛擬疲勞分析論文摘要:根據大客車(chē)橫向穩定桿的幾何參數、載荷及約束情況，建立了橫向穩定桿的有限元分析模型�；谄趬勖A測的相關(guān)理論，結合Abaqus有限元分析軟件和nSoft疲勞分析軟件進(jìn)行虛擬疲勞分析，在較短的時(shí)間內獲得了橫向穩定桿的疲勞壽命分布、壽命薄弱位置等信息。結果表明，虛擬疲勞分析能大大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，減少試驗的工作量，降低開(kāi)發(fā)成本。
在多數轎車(chē)和客車(chē)上，為了防止車(chē)身在轉向行駛等情況下發(fā)生過(guò)大的橫向傾斜，在懸架中均設有橫向穩定桿。橫向穩定桿由彈簧鋼制成，呈扁平的U形橫向地安裝在汽車(chē)的前端或后端。汽車(chē)轉向時(shí)車(chē)身側傾，橫向穩定桿一端下移，另一端則上移，而中部對于車(chē)架并無(wú)相對運動(dòng)，于是橫向穩定桿便被扭轉。彈性的橫向穩定桿所產(chǎn)生的扭轉的內力矩阻礙了懸架彈簧的變形，從而減小汽車(chē)的側傾，使其保持良好的姿態(tài)。
在實(shí)際工作狀態(tài)中，橫向穩定桿常會(huì )受到大小不同的扭力作用，隨著(zhù)受力次數的增加，某些部位會(huì )出現疲勞破壞。因此，疲勞壽命是設計中必須要考慮的一個(gè)重要因素，有必要對橫向穩定桿進(jìn)行虛擬疲勞分析。
某新型雙層大客車(chē)，前、后懸架各安裝一套橫向穩定桿。本文基于A(yíng)baqus有限元分析軟件進(jìn)行線(xiàn)性靜力分析，結合nSoft疲勞分析軟件，對橫向穩定桿進(jìn)行虛擬疲勞分析。
1、虛擬疲勞分析的方法與過(guò)程
1.1疲勞分析的方法
疲勞是在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)之后形成裂紋或完全斷裂的材料中發(fā)生的局部的、永久結構變化的過(guò)程。零件在循環(huán)加載下產(chǎn)生疲勞破壞所需的應力或應變循環(huán)數稱(chēng)為疲勞壽命。按破壞時(shí)循環(huán)數的高低，疲勞分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞受應力幅控制，又稱(chēng)應力疲勞。高周疲勞是各種機械中最常見(jiàn)的，簡(jiǎn)稱(chēng)疲勞。低周疲勞受應變幅控制，又稱(chēng)應變疲勞。
根據疲勞破壞的形式，常用三種疲勞分析方法: S_N名義應力法、e-N局部應變法、LEFM裂紋擴展壽命法。其中，S-N名義應力法適用于高周疲勞。
1.2虛擬疲勞分析的過(guò)程
虛擬疲勞分析是將有限元應力、應變分析結果，導入疲勞分析系統;而后在疲勞分析系統中建立材料的疲勞曲線(xiàn)，選擇或輸入循環(huán)載荷譜;在選擇合適的疲勞損傷累積規則后，疲勞分析系統自動(dòng)進(jìn)行疲勞分析，出零件的疲勞壽命分布，以幫助設計人員判斷設計壽命是否達到，或進(jìn)行壽命優(yōu)化設計。圖1為虛擬疲勞分析流程圖。
nSoft是nCode公司開(kāi)發(fā)的一套完整的疲勞分析系統。專(zhuān)門(mén)為解決工程系統的疲勞問(wèn)題而設計，主要由數據分析、數據顯示、疲勞分析等模塊組成�？捎糜诮鉀Q數據采集、疲勞設計分析以及實(shí)驗室疲勞模擬等問(wèn)題。
2、橫向穩定桿有限元分析
2.1幾何參數及幾何模型的確立
橫向穩定桿結構示意圖如圖2所示，參數見(jiàn)表1, D為橫向穩定桿直徑。
利用UG軟件建立橫向穩定桿的三維實(shí)體模型，然后通過(guò)IGES格式導入到Abaqus有限元分析軟件，將實(shí)體模型轉化為有限元模型。
2.2材料參數
橫向穩定桿的材料為60Si2Mn，材料的彈性模量E=2.06 X105MPa，泊松比卜=0.29。
2.3單元類(lèi)型的選擇與網(wǎng)格劃分
四面體實(shí)體單元C3D10M具有二次位移特性，可以模擬不規則形狀的結構，橫向穩定桿軸線(xiàn)有較多的轉彎點(diǎn)，劃分單元后有很多不規則的形狀產(chǎn)生，選用該單元類(lèi)型分析較有利。采用自由網(wǎng)格劃分，前橫向穩定桿有278657個(gè)節點(diǎn)，188694個(gè)單元;后橫向穩定桿有223886個(gè)節點(diǎn)，150321個(gè)單元。橫向穩定桿有限元模型如圖3所示。
2.4載荷與約束處理
橫向穩定桿的簡(jiǎn)化受力如圖4所示。B, C兩點(diǎn)是橫向穩定桿與穩定桿吊臂接觸的區域，簡(jiǎn)化為兩支撐點(diǎn);A, D兩點(diǎn)分別受大小相同、方向相反的垂直力作用。把B,C兩點(diǎn)作自由度約束處理，定義X, Y, Z三個(gè)方向的位移約束;A, D兩點(diǎn)的受力轉化為位移載荷處理。施加的位移載荷是客車(chē)滿(mǎn)載時(shí)橫向穩定桿的偏移量。
2.5靜力分析
在橫向穩定桿兩端分別施加大小為10mm，方向相反的位移載荷進(jìn)行靜力分析。最大主應力(Max Principal)前橫向穩定桿為623.7MPa，位于節點(diǎn)140370處，后橫向穩定桿為641 MPa，位于節點(diǎn)214338處。圖5為橫向穩定桿的最大主應力云圖。絕對值最大的主應力(Abs MaX Principal)常用于疲勞壽命分析。本例中，前、后橫向穩定桿絕對值最大的主應力分別和各自的最大主應力相等。
3、橫向穩定桿虛擬疲勞分析
由有限元靜力分析可知，前橫向穩定桿最大Mises應力為869MPa，后橫向穩定桿最大Mises應力為805MPa。上述應力均小于材料60Si2Mn的屈服極限; 1255MPa。因此，前、后橫向穩定桿在工作過(guò)程中，材料均處于彈性變形區范圍，適合用S-N名義應力法進(jìn)行疲勞分析。
本例中，前、后橫向穩定桿的疲勞壽命要求在振幅為110mm、頻率1一3Hz的條件下至少達到20萬(wàn)次。
3.1材料的P-S-N曲線(xiàn)
材料60Si2Mn的P-S-N曲線(xiàn)表達式為: 1gNp = aP + bplga，式中:NP一存活率為P時(shí)的疲勞壽命，a一應力幅的平均值((MPa) , aP, bP一與存活率有關(guān)的材料參數。具體數據見(jiàn)表2。
根據表2中的數據，本文采用偏安全的存活率50%的a;和b;值，在nSoft中創(chuàng )建了對應的S-N曲線(xiàn)，如圖5所示。
3.2創(chuàng )建循環(huán)載荷譜
本例中定義一個(gè)恒幅交變載荷，載荷的極大值為1，極小值為一1。這里定義的載荷是個(gè)相對量，是相對于有限元靜力分析中施加載荷的倍數。1表示疲勞載荷的大小等于有限元靜力分析中施加的載荷，-1表示疲勞載荷的大小等于有限元靜力分析中施加的載荷但方向相反，如圖6所示。
3.3虛擬疲勞分析結果分析
圖7為nSoft軟件構建的橫向穩定桿虛擬疲勞分析流程圖。選用Miner線(xiàn)性損傷累積規則進(jìn)行虛擬疲勞分析。前橫向穩定桿疲勞壽命最短的為140370節點(diǎn)，應力循環(huán)數為;后橫向穩定桿疲勞壽命最短的為214338節點(diǎn)，應力循環(huán)數為。疲勞壽命云圖和熱點(diǎn)(HOTSPOT)探測圖見(jiàn)圖8、圖9。
事實(shí)上，疲勞壽命最短的節點(diǎn)也正是絕對值最大的主應力所在的節點(diǎn)。上述應力循環(huán)數滿(mǎn)足前、后橫向穩定桿20萬(wàn)次的使用壽命要求。
4、結論
1)大客車(chē)橫向穩定桿的設計滿(mǎn)足疲勞壽命要求。
2)虛擬疲勞壽命分析設計，對提高機械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)水平，縮短開(kāi)發(fā)周期，具有至關(guān)重要的作用。
3)本文所述的虛擬疲勞分析具有一般性，對汽車(chē)零部件和結構的設計具有指導意義。
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