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淺析大客車橫向穩(wěn)定桿的虛擬疲勞分析
關(guān)鍵詞:橫向穩(wěn)定桿;有限元分析;虛擬疲勞分析論文摘要:根據(jù)大客車橫向穩(wěn)定桿的幾何參數(shù)、載荷及約束情況，建立了橫向穩(wěn)定桿的有限元分析模型。基于疲勞壽命預(yù)測的相關(guān)理論，結(jié)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(nèi)獲得了橫向穩(wěn)定桿的疲勞壽命分布、壽命薄弱位置等信息。結(jié)果表明，虛擬疲勞分析能大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少試驗(yàn)的工作量，降低開發(fā)成本。
在多數(shù)轎車和客車上，為了防止車身在轉(zhuǎn)向行駛等情況下發(fā)生過大的橫向傾斜，在懸架中均設(shè)有橫向穩(wěn)定桿。橫向穩(wěn)定桿由彈簧鋼制成，呈扁平的U形橫向地安裝在汽車的前端或后端。汽車轉(zhuǎn)向時(shí)車身側(cè)傾，橫向穩(wěn)定桿一端下移，另一端則上移，而中部對(duì)于車架并無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，于是橫向穩(wěn)定桿便被扭轉(zhuǎn)。彈性的橫向穩(wěn)定桿所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)的內(nèi)力矩阻礙了懸架彈簧的變形，從而減小汽車的側(cè)傾，使其保持良好的姿態(tài)。
在實(shí)際工作狀態(tài)中，橫向穩(wěn)定桿常會(huì)受到大小不同的扭力作用，隨著受力次數(shù)的增加，某些部位會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞。因此，疲勞壽命是設(shè)計(jì)中必須要考慮的一個(gè)重要因素，有必要對(duì)橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行虛擬疲勞分析。
某新型雙層大客車，前、后懸架各安裝一套橫向穩(wěn)定桿。本文基于Abaqus有限元分析軟件進(jìn)行線性靜力分析，結(jié)合nSoft疲勞分析軟件，對(duì)橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行虛擬疲勞分析。
1、虛擬疲勞分析的方法與過程
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(yīng)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(jié)構(gòu)變化的過程。零件在循環(huán)加載下產(chǎn)生疲勞破壞所需的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。按破壞時(shí)循環(huán)數(shù)的高低，疲勞分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞受應(yīng)力幅控制，又稱應(yīng)力疲勞。高周疲勞是各種機(jī)械中最常見的，簡稱疲勞。低周疲勞受應(yīng)變幅控制，又稱應(yīng)變疲勞。
根據(jù)疲勞破壞的形式，常用三種疲勞分析方法: S_N名義應(yīng)力法、e-N局部應(yīng)變法、LEFM裂紋擴(kuò)展壽命法。其中，S-N名義應(yīng)力法適用于高周疲勞。
1.2虛擬疲勞分析的過程
虛擬疲勞分析是將有限元應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果，導(dǎo)入疲勞分析系統(tǒng);而后在疲勞分析系統(tǒng)中建立材料的疲勞曲線，選擇或輸入循環(huán)載荷譜;在選擇合適的疲勞損傷累積規(guī)則后，疲勞分析系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行疲勞分析，出零件的疲勞壽命分布，以幫助設(shè)計(jì)人員判斷設(shè)計(jì)壽命是否達(dá)到，或進(jìn)行壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖1為虛擬疲勞分析流程圖。
nSoft是nCode公司開發(fā)的一套完整的疲勞分析系統(tǒng)。專門為解決工程系統(tǒng)的疲勞問題而設(shè)計(jì)，主要由數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、疲勞分析等模塊組成�？捎糜诮鉀Q數(shù)據(jù)采集、疲勞設(shè)計(jì)分析以及實(shí)驗(yàn)室疲勞模擬等問題。
2、橫向穩(wěn)定桿有限元分析
2.1幾何參數(shù)及幾何模型的確立
橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，參數(shù)見表1, D為橫向穩(wěn)定桿直徑。
利用UG軟件建立橫向穩(wěn)定桿的三維實(shí)體模型，然后通過IGES格式導(dǎo)入到Abaqus有限元分析軟件，將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為有限元模型。
2.2材料參數(shù)
橫向穩(wěn)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(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)，橫向穩(wěn)定桿軸線有較多的轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，劃分單元后有很多不規(guī)則的形狀產(chǎn)生，選用該單元類型分析較有利。采用自由網(wǎng)格劃分，前橫向穩(wěn)定桿有278657個(gè)節(jié)點(diǎn)，188694個(gè)單元;后橫向穩(wěn)定桿有223886個(gè)節(jié)點(diǎn)，150321個(gè)單元。橫向穩(wěn)定桿有限元模型如圖3所示。
2.4載荷與約束處理
橫向穩(wěn)定桿的簡化受力如圖4所示。B, C兩點(diǎn)是橫向穩(wěn)定桿與穩(wěn)定桿吊臂接觸的區(qū)域，簡化為兩支撐點(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(zhuǎn)化為位移載荷處理。施加的位移載荷是客車滿載時(shí)橫向穩(wěn)定桿的偏移量。
2.5靜力分析
在橫向穩(wěn)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(yīng)力(Max Principal)前橫向穩(wěn)定桿為623.7MPa，位于節(jié)點(diǎn)140370處，后橫向穩(wěn)定桿為641 MPa，位于節(jié)點(diǎn)214338處。圖5為橫向穩(wěn)定桿的最大主應(yīng)力云圖。絕對(duì)值最大的主應(yīng)力(Abs MaX Principal)常用于疲勞壽命分析。本例中，前、后橫向穩(wěn)定桿絕對(duì)值最大的主應(yīng)力分別和各自的最大主應(yīng)力相等。
3、橫向穩(wěn)定桿虛擬疲勞分析
由有限元靜力分析可知，前橫向穩(wěn)定桿最大Mises應(yīng)力為869MPa，后橫向穩(wěn)定桿最大Mises應(yīng)力為805MPa。上述應(yīng)力均小于材料60Si2Mn的屈服極限; 1255MPa。因此，前、后橫向穩(wěn)定桿在工作過程中，材料均處于彈性變形區(qū)范圍，適合用S-N名義應(yīng)力法進(jìn)行疲勞分析。
本例中，前、后橫向穩(wěn)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(dá)到20萬次。
3.1材料的P-S-N曲線
材料60Si2Mn的P-S-N曲線表達(dá)式為: 1gNp = aP + bplga，式中:NP一存活率為P時(shí)的疲勞壽命，a一應(yīng)力幅的平均值((MPa) , aP, bP一與存活率有關(guān)的材料參數(shù)。具體數(shù)據(jù)見表2。
根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，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(duì)應(yīng)的S-N曲線，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(duì)量，是相對(duì)于有限元靜力分析中施加載荷的倍數(shù)。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(jié)果分析
圖7為nSoft軟件構(gòu)建的橫向穩(wěn)定桿虛擬疲勞分析流程圖。選用Miner線性損傷累積規(guī)則進(jìn)行虛擬疲勞分析。前橫向穩(wěn)定桿疲勞壽命最短的為140370節(jié)點(diǎn)，應(yīng)力循環(huán)數(shù)為;后橫向穩(wěn)定桿疲勞壽命最短的為214338節(jié)點(diǎn)，應(yīng)力循環(huán)數(shù)為。疲勞壽命云圖和熱點(diǎn)(HOTSPOT)探測圖見圖8、圖9。
事實(shí)上，疲勞壽命最短的節(jié)點(diǎn)也正是絕對(duì)值最大的主應(yīng)力所在的節(jié)點(diǎn)。上述應(yīng)力循環(huán)數(shù)滿足前、后橫向穩(wěn)定桿20萬次的使用壽命要求。
4、結(jié)論
1)大客車橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)滿足疲勞壽命要求。
2)虛擬疲勞壽命分析設(shè)計(jì)，對(duì)提高機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)水平，縮短開發(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(duì)汽車零部件和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
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