某皮卡车架拖挂系统疲劳强度性能评估与优化

0引言

皮卡车架托挂系统是用于连接皮卡后端和拖挂式车辆的装置,其使皮卡能够牵引房车、拖车和其他设备等,拓展了皮卡使用功能和应用场景。车架和拖挂系统的疲劳强度性能决定了车辆的安全性和可靠性,因此在车架总成设计阶段,需考核车架和拖挂系统疲劳强度性能。

为了校核某新型皮卡车架拖挂系统的疲劳强度性能,首先基于有限元方法建立车架总成与拖挂系统网格模型,然后根据定义的工况设置相应的约束和载荷,获取其强度塑性应变,再根据疲劳工况求解其疲劳损伤,最后对车架进行优化改进,得到符合要求的车架拖挂系统。

1建立车架总成与拖挂系统有限元模型

截取车架后段,主要包括纵梁外板、纵梁内板、内板加强板、第五横梁和第六横梁,拖挂系统主要包括横梁、托钩、后保险杠安装支架和与纵梁连接板。将车架总成与拖挂系统三维模型导入至有限元前处理软件Hypermesh[1—2]中,抽取各个零部件的中心面,并作几何清理,清理微小特征,保留几何表面。为了兼顾计算精度和计算时间,采用5 mm四边形单元对各个零部件进行有限元网格划分。螺栓连接采用RBE2单元模拟,焊缝连接采用垂直对齐的四边形单元模拟。车架纵梁材料为QSTE420,拖挂与纵梁连接板材料为QSTE460。根据各个零部件的材料和厚度创建并赋予对应的材料属性,最终建立车架总成与拖挂系统有限元模型,如图1所示。

2 强度性能分析与评价

2.1 美标强度工况

美标强度工况如下:

1)施加垂直向下拉力13 KN,同时施加纵向拉力14 KN;

2)施加纵向拉力12 KN,同时施加垂直向下拉力8 KN;

3)施加横向拉力7 KN。

所有力的作用均沿着贯穿在球中心的轴。所有作用力的运用均以不大于0.667 KN/s为开始,并在到达最大特定作用力时保持至少5 s。

基于车架总成与拖挂系统有限元模型,采用Abaqus软件[3—4]约束车架截取端面和板簧支座安装点的所有自由度,分别施加对应的力,得到其塑性应变云图如图2所示。

通过图2可知,车架的最大塑性应变为0.2%,拖挂系统的最大塑性应变为0.23%, 目标要求小于2%,因此满足设计要求。

2.2 国标强度工况

国标强度工况如下:

1)施加纵向拉力37 KN;

2)施加横向拉力13 KN;

3)施加垂向拉力7 KN。

采用同样的有限元模型,加载相应的载荷,得到车架和拖挂的最大塑性应变分别为0.94%和0.52%,如图3所示,同样也符合工程要求。

2.3托钩强度工况

托钩强度工况如下:

1)施加纵向水平拉力75 KN;

2)向上15°施加纵向拉力45 KN;

3)向左35°施加纵向拉力45 KN。

加载速度15 mm/min,水平工况加载1次,其余工况加载50次;不允许开裂、开焊,拖钩及周边件不脱落。基于车架总成与拖挂系统有限元模型,加载对应的约束和载荷。由图4可知,车架的最大塑性应变为69.3%,超过了材料的断后延伸率(21%),不满足强度设计要求。拖挂系统的最大塑性应变为16.9%,小于材料的断后延伸率(19%),符合设计标准。

3疲劳性能分析与评价

疲劳工况如下:

1)X向加载15 KN,Y向加载2 KN,Z向加载6KN,循环1 000次;

2)X向加载14 KN,Y向加载2 KN,Z向加载5 KN,循环5 000次;

3)X向加载12 KN,Y向加载2 KN,Z向加载4 KN,循环45 000次。

基于车架总成与拖挂系统有限元模型,分别加载X向、Y向和Z向对应的载荷,并将其导入ncode软件中[5—6],根据材料的屈服和抗拉值拟合出S—N曲线,按照疲劳工况定义三种工况的循环次数,得到车架和拖挂系统的疲劳损伤云图,如图5所示。

通过图5可以得知,车架的疲劳损伤达到了3.63,超过了目标值1,不符合设计要求。拖挂的疲劳损伤为0.56,满足工程标准。

4优化改进

通过疲劳强度性能分析可知,车架后端螺栓孔的塑性应变和疲劳损伤均超过了设计标准,综合成本和重量等因素,在车架纵梁内侧增加一块长20 cm、宽15cm的加强板,焊接在纵梁内侧。采用同样的分析方法得到优化之后托钩强度工况下车架的最大塑性应变,降低至19.6%,如图6所示,满足设计要求。

图7所示为优化之后疲劳损伤云图。车架疲劳损伤降低至0.676,符合设计标准。

5 结论

本文采用有限元方法建立车架总成与拖挂系统有限元模型,分别根据美标、国标和托钩工况,对车架总成与拖挂系统进行强度性能分析,得到其强度塑性应变值,车架的最大塑性应变为69.3%,超过了材料断后延伸率,不满足设计标准,拖挂系统的最大塑性应变为16.9%,符合工程要求。基于疲劳循环工况,车架的损伤为3.63,拖挂系统的损伤为0.56, 目标要求小于1。通过在纵梁内侧焊接一块小加强板,增强其局部疲劳强度性能,优化之后车架的塑性应变降低至19.6%,疲劳损伤减小至0.676,均达到了设计要求。该分析方法具有重要的实际工程意义,同时也为同类结构设计提供了科学的参考和理论支撑。

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《机电信息》2025年第16期第15篇