1 引言

半掛牽引車以其良好的防滑性、機動靈活性、工作可靠性、牽引平穩(wěn)性廣受市場好評。鞍座作為底盤與貨箱連接的關(guān)鍵裝置，其可靠性對牽引車優(yōu)越性能的發(fā)揮至關(guān)重要。

目前，主機廠所使用鞍座多為供應(yīng)商開發(fā)和生產(chǎn)，并按照協(xié)議供貨。對于新開發(fā)鞍座強度測試，供應(yīng)商則多按照GB/T 20069-2006《道路車輛牽引座強度試驗》進行臺架試驗?，F(xiàn)廣泛使用的鞍座多為性價比高的單向鞍座。性能優(yōu)越的多向鞍座在高端車型上也受關(guān)注。

鞍座支架多采用比較成熟的鑄造結(jié)構(gòu)，而焊接結(jié)構(gòu)鞍座支架因其質(zhì)量輕、成本低、性能可靠，也逐漸被采用。本文6 x 4重型半掛牽引車開發(fā)時的鞍座支架采用鑄造件。后因降本原因，部分車型改用鈑金焊接結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)支架進入市場后，部分車輛行駛5000—20000公里時，發(fā)現(xiàn)支架出現(xiàn)裂紋：如圖1,2。


圖1 鞍座及斷裂位置


圖2 斷裂圖片

隨著公路運輸業(yè)務(wù)的崛起，各大主機廠在牽引車市場的角逐日趨激烈。本公司產(chǎn)品在市場出現(xiàn)的質(zhì)量問題，技術(shù)部門需要快速響應(yīng)。

現(xiàn)針對鞍座支架斷裂處進行C A E強度分析，對斷裂原因進行排查。并給出改進方案，快速響應(yīng)和解決市場斷裂故障問題。

2 基于整車多工況的鞍座支架強度分析

2.1 工況描述

本次分析依托主機廠整車資源，將鞍座放到整車中仿真。在整車中仿真更接近真實工作情況，能很好的反饋出強度問題。

有限元分析工況為四個典型的整車工況：整車彎曲工況、整車對扭工況、整車制動工況、整車轉(zhuǎn)彎工況。其中，整車彎曲工況為單工況，其余三個工況為復合工況。
2.2 有限元建模

有限元建模前處理采用h y p e r m e s h 建模，模型包含整車所有重要部件：駕駛室，發(fā)動機，車架，懸架、橋、傳動軸、油箱、電瓶箱等等。其中：駕駛室、發(fā)動機、懸架、橋、輪胎等使用對標后的剛度和質(zhì)量，簡化建模。

鈑金件采用殼單元建模，抽中面后離散為5-10mm四邊形單元，并根據(jù)實際情況賦給厚度。鑄件離散為3-6mm四面體單元。焊接采用seam焊接單元連接。螺栓連接采用1D的beam+rigid單元連接。

鞍座支架材料為Q345：彈性模量2.1E5Mpa、泊松比0.3、密度7.9E3kg/m3；其它零部件材料按照設(shè)計圖紙賦予參數(shù)屬性。

載重加載16. 7T均布質(zhì)量在鞍座上，整車加載垂直向下（-Z向）1G重力加速度。約束6個輪胎與路面接觸點。四個整車工況依據(jù)實際情況加載重力加速度和輪胎約束。建成后的整車模型如圖3。

2.3 有限元分析結(jié)果

有限元分析求解采用hyperworks軟件的optistrusct求解器做線性計算。


圖3 有限元整車數(shù)模

在計算的四個工況中：彎曲工況主要考核整車垂向承載能力，鞍座支架受力表現(xiàn)為受貨箱壓力；整車對扭工況主要考核整車對角輪胎同時上抬時抗扭能力，鞍座支架受力表現(xiàn)為即受貨箱壓力也受由車架傳導上來的對扭力；整車轉(zhuǎn)彎工況主要考核整車轉(zhuǎn)彎時載荷向一側(cè)轉(zhuǎn)移，單側(cè)超重能力，鞍座支架受力表現(xiàn)為一側(cè)荷載減少另一側(cè)載荷增加；整車制動工況主要考核整車制動時載荷向前側(cè)轉(zhuǎn)移，前側(cè)超重能力，鞍座支架受力表現(xiàn)為前側(cè)受力增加后側(cè)受力減少。鞍座支架四個工況應(yīng)力分析應(yīng)力云圖如圖4-7。云圖表明最大應(yīng)力出現(xiàn)位置與斷裂位置相吻合。


圖4 整車彎曲工況應(yīng)力云圖   圖5 整車對扭工況應(yīng)力云圖



圖6 整車轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖 圖7 整車制動工況應(yīng)力云圖

計算結(jié)果評價：整車彎曲工況為單一工況，計算結(jié)果評價綜合考慮材料疲勞系數(shù)和動載荷沖擊系數(shù)，確定安全系數(shù)為大于或等于2。整車對扭工況、整車轉(zhuǎn)彎工況、整車制動工況為復合工況，計算結(jié)果評價綜合考慮材料疲勞系數(shù)和動載荷沖擊系數(shù)，確定安全系數(shù)為大于或等于1 . 2 5。計算結(jié)果表明整車彎曲工況和整車制動工況不滿足評價指標，評價為不合格。整車對扭工況和整車轉(zhuǎn)彎工況滿足評價指標，評價為合格，如表1。


表1 計算結(jié)果及評價指標

3 斷裂原因確定

3.1 支架材料方面

（1）鞍座支架材料為Q34 5。對其進行成分分析和拉伸試驗，結(jié)果顯示各項指標均合格，如表2。


表2 材料分析實驗數(shù)據(jù)

3.2 設(shè)計結(jié)構(gòu)研究

從設(shè)計布局方面分析，該支架在垂向和側(cè)向兩個方向，同時在斷裂處出現(xiàn)了嚴重的結(jié)構(gòu)突變，結(jié)構(gòu)過渡不平順。該問題導致應(yīng)力集中在斷裂處。
現(xiàn)取斷裂位置的剖面面積，對其變化進行分析，如下圖8，9在斷裂位置出現(xiàn)了明顯的剖面面積減小的現(xiàn)象。



圖8 剖面示意圖


圖9 剖面面積變化曲線圖


圖10 優(yōu)化后的鞍座支架

4 改進方案及計算結(jié)果

在制定改進方案時，將斷裂情況、C A E仿真結(jié)果以及設(shè)計布局分析相結(jié)合，試圖將最大應(yīng)力降到合格。

對應(yīng)力集中區(qū)進行加強，優(yōu)化位置如圖1 0 方框處。從設(shè)計角度對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，解決設(shè)計布局有突變、剛度過渡不平順的問題。

在2 . 2節(jié)的基礎(chǔ)上，再次對改進方案進行有限元分析，四個工況應(yīng)力分析應(yīng)力云圖如圖11-14。結(jié)果表明不僅各工況最大應(yīng)力得到大幅下降，且紅色高應(yīng)力區(qū)域明顯擴大,應(yīng)力集中問題大幅改善。計算結(jié)果評價指標與2 . 3節(jié)中分析評價指標相同。如表3，評價結(jié)果表明各工況均滿足評價指標，評價為合格。


 圖11 整車彎曲應(yīng)力云圖 圖12 整車對扭應(yīng)力云圖


圖13 整車轉(zhuǎn)彎應(yīng)力云圖 圖14 整車制動應(yīng)力云圖


表3 計算結(jié)果及評價指標

5 總結(jié)

本文為解決市場鞍座支架斷裂故障，經(jīng)CAE仿真初步分析，結(jié)果表明兩個工況應(yīng)力不滿足評價指標。依據(jù)仿真結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在設(shè)計缺陷，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使最大應(yīng)力下降56.5%，最終各工況應(yīng)力均滿足評價指標。