重型载货汽车前轴疲劳性能计算及试验验证

摘要： 对比某重型载货汽车前轴台架刚度试验计算值与试验值，发现简化边界导致位移计算值偏大.对前轴台架试验的夹具进行测量并在Abaqus中建立其实体有限元模型，使得位移计算值和试验值误差在2.5%以内，从而保证疲劳计算输入的应力谱的准确性.根据前轴疲劳试验标准QC/T513—1999规定的工况，利用FEMFAT计算某重型载货汽车前轴的疲劳寿命，并与试验得到的破坏位置和寿命进行对比，验证疲劳计算的可靠性.在对前轴应力和疲劳计算结果进行分析的基础上，提出提高前轴疲劳寿命的改进建议.

关键词： 前轴； 边界； 应力谱； FEMFAT； Abaqus

中图分类号： U463.33；TB115.1文献标志码： B

引言

前轴是载货车前桥的主要承载部件，通过悬架和车架相连接，两端安装车轮，用以在车架与车轮之间传递垂向力、纵向力和横向力.[1]汽车在行驶过程中，大部分时间匀速直线行驶，前轴主要承受垂向载荷，所以在对前轴进行设计计算和试验验证时，首先应进行竖直方向的台架疲劳仿真和试验.同时，由于髙周疲劳性能的计算，输入的参数一般是部件应力谱，所以部件应力计算结果的精度，对疲劳计算起决定作用.

为得到准确的应力计算结果，对前轴台架试验的夹具进行详细测量，以保证仿真计算和台架试验的边界相同.将计算得到的位移和疲劳性能结果与试验值进行对比，修正计算模型，旨在建立虚拟仿真试验台架，在设计前期发现前轴的薄弱位置，并进行改进，减少试验次数和研发经费投入，缩短开发周期.

1前轴计算模型的验证和修正

由于一般有限元计算程序都基于位移元编写，即计算所得的直接结果是节点位移，然后再计算单元的应变和应力.[2]Abaqus软件对结构强度的计算程序也是基于位移元编写的，所以计算所得的位移结果最为准确.

本文对计算得到的某载货车前轴位移结果与相应载荷下的试验结果进行对比，以验证计算模型的准确性，并对模型进行修正.

1.1计算模型建立

一般对于包含2个以上零部件有限元模型的简化，包含零部件模型简化（单元类型选择）、相互作用简化和边界简化等3部分.零部件模型简化主要解决的问题是把零部件简化成何种类型的有限单元.如果计算机硬件条件和项目进度允许，应尽量将关心的零部件选择为实体单元.为得到可以接受的结果，也可以根据1/10倍准则[3]，将板状结构模型简化为壳单元；将细长杆状结构模型简化为梁单元；对于不关心的零部件可以简化为刚性单元，以提高计算的效率.边界的简化和相互作用的简化原则是应符合零部件的实际受力和运动、变形关系.

1.1.1计算模型简化

前轴试验台架装置见图1.

图 1前轴试验台架装置

根据试验时前轴、转向节、转向节销、轴承和夹具的装配关系以及对各零部件形状和关注程度，初步确定除夹具简化为刚性约束外，其余选择实体单元类型.前轴与转向节之间通过圆锥滚子轴承连接，转向节可以相对前轴端部进行转动，为模拟转向节相对于前轴的运动关系，将轴承下底面和转向节结合为一体，轴承的上表面与前轴设为无摩擦接触（忽略轴承的摩擦阻力），其余接触为摩擦接触.为提高计算效率，减小计算规模，通过对夹具和台架的尺寸进行测量，将夹具简化为刚性连接，以夹具和台架的中心接触点作为控制点.在控制点处建立圆柱坐标系，控制夹具的边界为绕控制点做圆弧运动，同时建立方程约束，使左、右控制点处沿前轴方向的位移之和为0，以保证前轴在垂向载荷下相对于其中点横截面做对称弯曲运动.

在前处理软件中对各零部件进行网格划分，前轴和转向节网格类型为C3D10M，轴承和转向节销的网格类型为C3D8R.计算模型见图2，节点数为15 932个.

图 2前轴台架简化计算模型

1.1.2截面属性和分析步的建立

前轴台架装配体各零部件材料参数见表1.根据表1的材料参数值，建立各零部件的截面属性，并赋予相应的零部件，对前轴施加2.9 t载荷进行前轴竖直位移模拟试验.

1.2竖直位移计算结果验证和模型修正

在前轴刚度竖直位移试验中，5个位移测量点的位置见图3.前轴整体模型位移计算结果见图4，计算和试验得到的位移值见表2.通过对比可知，计算值与试验值的误差较大，最大误差为10.2%，且计算值都大于位移值.考虑到位移相对较小，夹具变形和边界简化会对计算结果有较大影响，所以建立夹具的实体模型，并将台架支撑部件简化为圆弧刚体模型（见图5），夹具与刚体之间建立接触边界，以更好地模拟实际运动情况.模型修正后的位移计算云图见图6，计算结果见表3.对比表3中计算值和试验值的误差可知，边界修正后，计算结果较为准确，最大误差为2.3%.

2前轴疲劳计算和试验验证

根据前轴疲劳试验标准QC/T 5131999[4]，利用Abaqus软件计算前轴在0.5和3.5倍设计载荷下的von Mises应力，结果见图7.利用FEMFAT软件对前轴进行疲劳寿命计算[5]，计算结果云图见图8和表4.

（a）0.5倍载荷

（b）3.5倍载荷

图 7上、下限载荷工况下疲劳分析von Mises应力云图（a）疲劳试验前轴破坏位置

（b）疲劳分析计算前轴破坏位置

由图8可知，计算的危险点位置和试验疲劳破坏位置基本相同，而计算的疲劳寿命结果和实际试验的疲劳寿命结果存在着较大误差.原因主要包含2部分：计算输入的45号钢疲劳性能曲线通过其基本参数输入得到，而非试验所得；试验所用的前轴是锻造壳，在前轴的分型面上存在着较大的飞边，对前轴的表面质量存在较大影响.

3改进建议

前轴简化的弯矩见图9和10，可知，截面1和2处的弯矩是一样的，但是截面1是上大下小的工字形，截面2是相对于z轴对称的工字形截面.因此，1截面的中性层在y方向是中间偏上的，截面2的中性层大约在y方向的中间，所以截面1的应力分布较合理，截面2下部拉应力较大.建议改进弯角处的截面形状，尽量对称分布，使中性层在y方向中间或者偏下一点.

图 9前轴竖直位移试验简化示意及弯矩

图 10前轴截面竖直位移示意

4结束语

通过对前轴在台架试验工况下的竖直位移计算值与试验值对比以及模型简化分析，发现是否建立夹具模型以及整体模型边界的简化对位移结果有较大影响.修改计算模型，增加试验台架夹具模型，使得位移的计算结果和试验结果的最大误差为2.3%，从而保证应力谱计算的准确性.

通过前轴疲劳计算破坏位置、寿命值与试验结果分析对比，验证疲劳计算的可靠性及虚拟疲劳台架的可行性.通过对疲劳试验和计算结果，结合前轴简化的弯矩和截面竖直位移示意的分析，提出改进弯角处的截面形状尽量对称分布，使中性层在y方向中间或者偏下一点的结构改进建议，以提高前轴疲劳寿命.参考文献：

[1]黄伟， 项林， 刘晓辉. 汽车前轴有限元分析[J]. 广西大学学报： 自然科学版， 2008， 33（2）： 133137.

[2]王勖成. 有限单元法（上）[M]. 北京： 清华大学出版社， 2003： 8081.

[3]庄茁， 由小川， 廖剑晖， 等. 基于Abaqus的有限元分析和应用[M]. 北京： 清华大学出版社， 2009： 111150.

[4]QC/T 513—1999汽车前轴[S].

[5]徐云峰， 卢峥， 徐志均. 基于FEMFAT的扭转梁式后桥疲劳强度研究[J]. 上海汽车， 2011（8）： 711.