一种受空间回转力矩作用下车架的疲劳计算方法
【专利摘要】一种受空间回转力矩作用下车架的疲劳求解方法，包括以下步骤：构建恒定载荷下车架结构的有限元模型，并根据该模型输出恒定载荷下的静力求解结果；对车架施加力矩载荷以及在支腿处施加X、Y、Z三方向的平动约束；在支腿处X、Y、Z三个方向的支反力没有出现负值情况下输出变化载荷只有力矩载荷的静力求解结果，并将该结果载入疲劳求解工况；再根据空间力矩载荷的旋转顺序、车架材料属性、材料处理方法以及疲劳求解方法，对车架进行疲劳循环求解，输出疲劳寿命和载荷循环幅度。本发明的有益效果在于：将恒定载荷与空间回转力矩载荷进行分步处理，从而得到车架在空间回转力矩载荷与恒定载荷共存的情况下的疲劳求解结果。
【专利说明】一种受空间回转力矩作用下车架的疲劳计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机械【技术领域】，特别是一种受空间回转力矩作用下车架的疲劳计算方 法。
【背景技术】
[0002] 汽车已经成为现代社会发展不可或缺的交通工具，在人们的日常生活中扮演着重 要的角色。汽车工业以其强有力的产业拉动作用，已经成为我国国民经济发展的支柱性行 业。
[0003] 车架作为汽车的承载基体，一般由两根纵梁和几根横梁组成，汽车绝大多数部件 和总成，比如发动机、传动系统、悬架、转向、驾驶室、货箱和有关操作机构，都是通过车架来 固定其位置的。车架的功用是支承连接汽车的各零部件，并承受来自车内外的各种载荷。当 汽车在崎岖不平的道路上行驶，车架在载荷作用下可产生扭曲变形以及在纵向平面内的弯 曲变形，当一边车轮遇到障碍时，还可能使整个车架扭曲成菱形。因此，车架是一个要求严 格的大型受力构件，必须有足够的刚强度和疲劳强度，从而对于车架的疲劳进行求解就变 得非常有必要了。
[0004] 疲劳失效时在交变荷载作用下构件或结构的主要失效形式。在工程结构和机械设 备中，疲劳破坏的现象极为广泛，它遍及每一个运动的零部件，甚至看上去是静止的，只要 它承受反复作用的载荷，就会导致疲劳破坏。据统计约有80%以上的机械结构的破坏属于 疲劳破坏。随着机械向高温、高速和大型方向发展，机械零构件所受的应力越来越高，服役 条件越来越恶劣，疲劳失效时股更是层出不穷。因此，对于车架的疲劳求解就具有重大而深 远的意义。
[0005] 目前，工程车辆车架疲劳的计算还没有一套系统完善的方法，尤其是在受力情况 复杂的载荷下，对于恒定载荷和变化载荷共存的情况下，无法有效对车架进行疲劳求解。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足，提供一种受空间回转力矩作用下 车架的疲劳计算方法，能够有效处理恒定载荷和变化载荷共存情况下的疲劳求解。
[0007] 为了实现上述目的，本发明所设计的一种受空间回转力矩作用下车架的疲劳计算 方法，包括以下步骤：
[0008] (1)、构建车架结构的有限元模型，并根据该有限元模型对车架进行静力求解；
[0009] (2)、修改步骤（1)所构建的有限元模型的载荷，去掉空间回转力矩载荷保留恒定 载荷；
[0010] (3)、根据步骤（2)所修改的有限元模型对车架重新进行静力求解；
[0011] (4)、根据步骤（3)得到的静力求解结果与试验结果相比较，若误差在允许范围以 内，输出恒定载荷下的静力求解结果，若误差超出允许范围，则重新回到步骤（3)进行静力 求解；
[0012] (5)、对车架施加空间回转力矩载荷；
[0013] (6)、接着施加支腿处X、Y、Z三个方向的平动约束；
[0014] (7)、检查支腿处X、Υ、Ζ三个方向的支反力是否出现负值，若出现负值，则回到步 骤（6)并释放出现负值方向的平动约束；
[0015] (8)、支腿处X、Υ、Ζ三个方向的支反力没有出现负值，则输出变化载荷只有空间回 转力矩载荷的静力求解结果；
[0016] (9)、将步骤（8)所得的静力求解结果载入疲劳求解工况，输出空间回转力矩载 荷；
[0017] (10)、定义空间360°回转力矩载荷的旋转和循环顺序；
[0018] (11)、定义空间360°回转力矩的载荷时间历程曲线；
[0019] (12)、定义车架材料属性、材料处理方法以及疲劳求解方法；
[0020] (13)、定义疲劳损伤因子以及疲劳损伤形式；
[0021] (14)、对车架进行疲劳循环求解，输出疲劳寿命和载荷循环幅度。
[0022] 进一步，所述静力求解包括以下步骤：
[0023] Α、构建车架结构的有限元模型；
[0024] Β、对步骤Α所构建的有限元模型进行网格质量判断，若网格质量合格，则进行下 一步，若网格质量不合格，则回到步骤A重新构建车架结构的有限元模型；
[0025] C、定义支腿以及车架的接触定义；
[0026] D、对车架施加空间回转力矩以及恒定载荷；
[0027] E、施加支腿处X、Y、Z三个方向的平动约束；
[0028] F、检查支腿三个方向的支反力是否出现负值，若没有出现负值则进行下一步，若 出现负值，回到步骤E，释放出现负值方向的平动约束；
[0029] G、对车架结构进行静力求解。
[0030] 优选的，所述车架结构的有限元模型中，车架主体结构采用壳单元，回转支撑座圈 采用实体单元，三角形网格数量控制比例在5%以内，车架顶板、侧板以及承载内部箱型板 焊接方式采用cweld焊接单元模拟，焊接厚度为3_，焊接形式为三角焊，焊接单元与被焊 件夹角为45°，前活动支腿与车架前段固定销轴采用梁单元模拟，垂直支腿与固定支腿采 用等截面梁单元。
[0031] 优选的，所述模型的网格质量判断要求为：整体网格质量QI值小于1，雅克比大于 〇. 6,斜交角度小于30°，锥状体小于0. 5,四边形形貌比小于5%。
[0032] 优选的，所述垂直支腿梁单元截面为圆形截面，所述固定支腿梁单元截面为矩形 截面，该固定支腿为壳单元模型。
[0033] 优选的，所述步骤（12)中疲劳求解采用高周疲劳求解法。
[0034] 优选的，所述空间回转力矩载荷采用等效的空间力矩平面投影法进行求解，该空 间力矩平面投影法将上车伸出臂投影到车架主体上表面，而力与力臂在车架主体表面，从 而形成平面力矩区域，上车伸出臂与车架主体纵向夹角构成变幅角度，伸出臂向俯视图方 向投影形成平面回转角度，每一个平面回转角度构成了一个力矩。
[0035] 先对空间回转力矩载荷与恒定载荷共存的情况下建立有限元模型，并进行静力求 解；接着只保留恒定载荷，重新构建车架结构的有限元模型，进行静力求解，在这个静力求 解结果的基础上施加空间回转力矩载荷，并对空间回转力矩载荷作一次360°循环，从而对 车架进行疲劳循环求解，输出疲劳寿命和载荷循环幅度。
[0036] 本发明得到的一种受空间回转力矩作用下车架的疲劳计算方法，其技术效果是： 将恒定载荷与空间回转力矩载荷进行分步处理，从而得到车架在空间回转力矩载荷与恒定 载荷共存的情况下的疲劳求解结果。
【专利附图】
【附图说明】
[0037] 图1是本发明中车架结构简视图。
[0038] 图2是本发明一种受空间回转力矩作用下车架的疲劳计算方法流程图。
[0039] 图3是本发明中车架静力求解方法流程图。
[0040] 图4是本发明中空间360°回转力矩载荷投影平面示意图。
[0041] 图5是本发明中恒定载荷与力矩载荷约束受力求解图。
[0042] 图6是本发明中支腿结构示意图。
[0043] 图7是本发明一个实施例中寿命为2nf的抗拉强度曲线图。
[0044] 图8是图7去对数后S-N曲线图。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0046] 如图2所示，本发明提供的一种受空间回转力矩作用下车架的疲劳计算方法，包 括以下步骤：
[0047] (1)、构建车架结构的有限元模型，并根据该有限元模型对车架进行静力求解；
[0048] (2)、修改步骤（1)所构建的有限元模型的载荷，去掉空间回转力矩载荷保留恒定 载荷，将变化载荷与恒定载荷区分开来，所述的变化载荷只有空间回转力矩载荷；
[0049] (3)、根据步骤（2)所修改的有限元模型对车架重新进行静力求解；
[0050] (4)、根据步骤⑶得到的静力求解结果与试验结果相比较，若误差在允许范围以 内，输出恒定载荷下的静力求解结果，若误差超出允许范围，则重新回到步骤（3)进行静力 求解，所述误差允许范围为10%以内；
[0051] (5)、对车架施加空间360°回转力矩载荷，由于力矩载荷是空间360°回转，存在 空间角度，需要在车架上表面进行平面投影，具体的投影方式如图4所示；
[0052] (6)、接着施加支腿处X、Y、Z三个方向的平动约束；
[0053] (7)、检查支腿处X、Y、Z三个方向的支反力是否出现负值，若出现负值，则回到步 骤（6)并释放出现负值方向的平动约束；
[0054] (8)、支腿处Χ、Υ、Ζ三个方向的支反力没有出现负值，则输出变化载荷只有空间回 转力矩载荷的静力求解结果；
[0055] (9)、将步骤（8)所得的静力求解结果载入疲劳求解工况，输出空间回转力矩载 荷；
[0056] (10)、定义空间360°回转力矩载荷的旋转和循环顺序，可以使顺时针方向旋转也 可以是逆时针方向旋转，本实施例中，按照逆时针定义空间360°回转力矩载荷的旋转和循 环顺序；
[0057] (11)、定义空间360°回转力矩的载荷时间历程曲线；
[0058] (12)、定义车架材料属性、材料处理方法以及疲劳求解方法，疲劳求解方法可以是 高周疲劳求解法，也可以使低周疲劳求解法，本实施例中，所述疲劳求解方法采用高周疲劳 求解法；
[0059] (13)、定义疲劳损伤因子以及疲劳损伤形式；
[0060] (14)、对车架进行疲劳循环求解，输出疲劳寿命和载荷循环幅度。
[0061] 如图3所示，所述静力求解方法包括以下步骤：
[0062] A、构建车架结构的有限元模型；
[0063] B、对步骤A所构建的有限元模型进行网格质量判断，若网格质量合格，则进行下 一步，若网格质量不合格，则回到步骤A重新构建车架结构的有限元模型；
[0064] C、定义支腿以及车架的接触定义；
[0065] D、对车架施加空间回转力矩以及恒定载荷；
[0066] E、施加支腿处X、Y、Z三个方向的平动约束；
[0067] F、检查支腿三个方向的支反力是否出现负值，若没有出现负值则进行下一步，若 出现负值，回到步骤E，释放出现负值方向的平动约束；
[0068] G、对车架结构进行静力求解。
[0069] 如图1所示，所述车架包括车架主体1、右前固定支腿2、右前活动支腿3、右后固定 支腿4、右后活动支腿5、左后垂直支腿6、左后活动支腿7、左前垂直支腿8以及左前活动支 腿9组成。
[0070] 所述车架结构的有限元模型中，车架主体1结构采用壳单元，单元类型为 shell63,回转支撑座圈采用实体单元solidl87单元，三角形网格数量控制比例在5%以 内，车架顶板、侧板以及承载内部箱型板焊接方式采用cweld焊接单元模拟，焊接厚度为 3mm，焊接形式为三角焊，焊接单元与被焊件夹角为45°，前活动支腿与车架前段固定销轴 采用梁单元模拟，单元类型为BEAM188,定义梁单元截面半径尺寸比实际销轴半径略大，一 般大30-50mm。梁单元轴向长度大于50mm时，将梁单元分成等分的3-4段，这样便于更好的 传递载荷作用。
[0071] 车架中段是承载垂直载荷和力矩的受力集中部位，将座圈与车架支撑箱型板结构 网格细化，比目标网格尺寸小3-5_。垂直支腿与固定支腿采用等截面梁单元简化。垂直支 腿梁单元截面选择圆形截面，并定义截面半径比实际半径达30-50mm，固定支腿定义梁截面 为矩形，并定义矩形的厚度。为了提高求解精度，固定支腿采用壳单元模型，垂直支腿采用 圆形截面梁简化。
[0072] 所述模型的网格质量判断要求为：整体网格质量QI值小于1，雅克比大于0. 6,斜 交角度小于30° ,锥状体小于0. 5,四边形形貌比小于5%。
[0073] 所述空间回转力矩载荷采用等效的空间力矩平面投影法进行求解，该空间力矩平 面投影法将上车伸出臂投影到车架主体上表面，而力与力臂在车架主体表面，从而形成平 面力矩区域，上车伸出臂与车架主体纵向夹角构成变幅角度，空间内某一点伸出臂存在一 定变幅角度，伸出臂向俯视图方向投影形成平面回转角度，每一个平面回转角度构成了一 个力矩，只需将伸出臂向车架主体上表面投影即可，如图4所示，该平面投影示意图由车架 主体1、空间力矩等效旋转角度10、空间力矩回转角度对称区域11以及回转中心位置12组 成，形成如图30°、60°、45°等角度，伸出臂每旋转一个角度，力矩就变化一次，经过正确 的角度投影，将360°的空间回转力矩转化为平面力矩受力，简化了模型的求解，且模型的 求解精度得到了很好的保证。
[0074] 其中，恒定载荷与力矩载荷作用于座圈上表面与座圈中心点刚性连接后的中心 点。力矩载荷以及垂直载荷与上车等效载荷等恒定载荷作用于一点或作用于距离很近的两 点，本实施例中，力矩载荷以及恒定载荷作用于如图5所示的两点C1与C2, C1点作用于垂 直载荷F1以及空间回转力矩Ml、M2以及其他360°回转力矩；C2点作用等效载荷F2, C1、 C2之间距离200mm，采用实体刚性梁连接。C1点处刚性梁单元要与座圈上表面每一个单元 都要做刚性连接。刚性连接单元截面为实心圆截面，截面半径30mm。平动约束施加在A、B、 C、D四点，约束X、Y、Z三个方向的自由度平动。约束布置如图1所述，图1中箭头所述座圈 位置施加力矩载荷和垂直载荷，力矩分别在45°、90°、135°、180°、270°时，检查其对角 线相对位置垂直支腿三自由度约束力是否出现负值，出现负值则释放出现负值方向的约束 重新进行求解。45°时检查车架左前方向倾翻力矩，即检查右后方向支腿约束支反力是否 出现负值；90°车架正侧方出现倾翻力矩，检查车架另一侧的前后支腿的支反力是否出现 负值。同理得出其余倾翻力矩角度的检查位置。
[0075] 支腿的结构如图6所示，由垂直支腿13、一级活动支腿14、一级支腿接触上表面 15、二级支腿接触上表面16、二级活动支腿17、一级支腿接触下表面18、二级支腿接触下表 面19组成，支腿约束形式主要作用于图6中点8,按照上述约束方法检查约束是否需要释 放。
[0076] 支腿需要定义接触的区域由两部分组成，该部分在非承载作用下是分离不相互接 触，只有在力矩、垂直载荷作用下才发生接触。当承载时，垂直支腿支撑整个车架，因此一级 支腿向上翘曲，一级支腿的尾端、二级支腿前端图中15、16、18、19出现接触。15、16接触时 位置发生在图示位置，即一级支腿尾端上表面与二级支腿前端上表面。主接触面为15,从接 触面为16 ;另一个接触对是18、19接触位置在一级支腿下表面最尾端和二级支腿相对的位 置上表面，在图示位置向后的一级支腿最末端处。定义接触属性为面一面接触，摩擦面为金 属-金属之间摩擦，定义摩擦系数〇. 17,定义接触速度为0. lm/s。
[0077] 定义载荷工况共两大类32种，工作幅度不同载荷参数也随之变化，其中倾翻力矩 =(额定吊重量+超载重量）X工作幅度；垂直载荷=上车结构重量；等效载荷与结构自 重任选其一计算即可，如果有限元模型存在简化计算则需要进行等效载荷，如果没有存在 简化部位则用结构自重计算。超载系数1. 25 =额定吊重量X 1. 25倍；载荷工况表如下表 1所示：
[0078] 表1 :载荷工况表
[0079]
【权利要求】
1. 一种受空间回转力矩作用下车架的疲劳计算方法，其特征在于：包括以下步骤： (1) 、构建车架结构的有限元模型，并根据该有限元模型对车架进行静力求解； (2) 、修改步骤（1)所构建的有限元模型的载荷，去掉空间回转力矩载荷保留恒定载 荷； (3) 、根据步骤（2)所修改的有限元模型对车架重新进行静力求解； (4) 、根据步骤（3)得到的静力求解结果与试验结果相比较，若误差在允许范围以内， 输出恒定载荷下的静力求解结果，若误差超出允许范围，则重新回到步骤（3)进行静力求 解； (5) 、对车架施加空间回转力矩载荷； (6) 、接着施加支腿处X、Y、Z三个方向的平动约束； (7) 、检查支腿处Χ、Υ、Ζ三个方向的支反力是否出现负值，若出现负值，则回到步骤（6) 并释放出现负值方向的平动约束； (8) 、支腿处Χ、Υ、Ζ三个方向的支反力没有出现负值，则输出变化载荷只有空间回转力 矩载荷的静力求解结果； (9) 、将步骤（8)所得的静力求解结果载入疲劳求解工况，输出空间回转力矩载荷； (10) 、定义空间360°回转力矩载荷的旋转和循环顺序； (11) 、定义空间360°回转力矩的载荷时间历程曲线； (12) 、定义车架材料属性、材料处理方法以及疲劳求解方法； (13) 、定义疲劳损伤因子以及疲劳损伤形式； (14) 、对车架进行疲劳循环求解，输出疲劳寿命和载荷循环幅度。
2. 根据权利要求1所述的受空间回转力矩作用下车架的疲劳计算方法，其特征在于： 所述静力求解方法包括以下步骤： Α、构建车架结构的有限元模型； Β、对步骤Α所构建的有限元模型进行网格质量判断，若网格质量合格，则进行下一步， 若网格质量不合格，则回到步骤A重新构建车架结构的有限元模型； C、 定义支腿以及车架的接触定义； D、 对车架施加空间回转力矩载荷以及恒定载荷； E、 施加支腿处X、Y、Z三个方向的平动约束； F、 检查支腿三个方向的支反力是否出现负值，若没有出现负值则进行下一步，若出现 负值，回到步骤Ε，释放出现负值方向的平动约束； G、 对车架结构进行静力求解。
3. 根据权利要求1或2所述的受空间回转力矩作用下车架的疲劳计算方法，其特征 在于：所述车架结构的有限元模型中，车架主体结构采用壳单元，回转支撑座圈采用实体 单元，三角形网格数量控制比例在5%以内，车架顶板、侧板以及承载内部箱型板焊接方式 采用cweld焊接单元模拟，焊接厚度为3_，焊接形式为三角焊，焊接单元与被焊件夹角为 45°，前活动支腿与车架前段固定销轴采用梁单元模拟，垂直支腿与固定支腿采用等截面 梁单元。
4. 根据权利要求2所述的受空间回转力矩作用下车架的疲劳计算方法，其特征在于： 所述模型的网格质量判断要求为：整体网格质量QI值小于1，雅克比大于0.6,斜交角度小 于30°，锥状体小于0. 5,四边形形貌比小于5%。
5. 根据权利要求3所述的受空间回转力矩作用下车架的疲劳计算方法，其特征在于： 所述垂直支腿梁单元截面为圆形截面，所述固定支腿梁单元截面为矩形截面，该固定支腿 为壳单元模型。
6. 根据权利要求1所述的受空间回转力矩作用下车架的疲劳计算方法，其特征在于： 所述步骤（12)中疲劳求解采用高周疲劳求解法。
7. 根据权利要求1或2所述的受空间回转力矩作用下车架的疲劳计算方法，其特征在 于：所述空间回转力矩载荷采用等效的空间力矩平面投影法进行求解，该空间力矩平面投 影法将上车伸出臂投影到车架主体上表面，而力与力臂在车架主体表面，从而形成平面力 矩区域，上车伸出臂与车架主体纵向夹角构成变幅角度，伸出臂向俯视图方向投影形成平 面回转角度，每一个平面回转角度构成了一个力矩。
【文档编号】G06F19/00GK104102850SQ201410383563
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】苏锦涛, 马利红, 褚建东, 王鲁斌, 黄年兵 申请人:建新赵氏集团有限公司