用有限元分析的后桥桥壳模型的疲劳失效预测外文翻译资料

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用有限元分析的后桥桥壳模型的疲劳失效预测

梅.梅.托皮卡^a，河.古纳尔^b，尼.桑.克拉雷^a

^a机械工程系，多库兹爱吕尔大学，工程学部，35100 博尔诺瓦，伊兹密尔市，土耳其

^b埃格工贸有限公司，凯末尔帕夏18街，35060皮娜巴斯，伊兹密尔市，土耳其

文章信息

文章历史：

2008年8月14日收到

2008年9月12日接受

2008年9月25日在线可用

关键词：

后桥桥壳

应力集中

疲劳

有限元分析

摘要

本篇文章研究了在后桥壳体原型的垂直疲劳试验期间在预期负载循环之前发生的过早失效。在这些实验中，裂纹主要来源于试验样品上的同一区域。为了确定故障的原因，实验制定了桥壳的一个详细的CAD模型。后桥桥壳材料的机械性能通过拉伸试验确定。使用这些数据，通过有限元方法来进行应力和疲劳分析。测定疲劳裂纹开始位置和失效开始之前的最小负载循环数。将测试提供的结果与分析进行比较。设计增强解决方案提出了增加壳体的疲劳寿命。

1. 概述

由于其较高的负载能力，实心轴通常用于重型商用车辆[1]。实心轴的结构可以在图1中看到。在车辆使用寿命期间，由路面粗糙度产生的动态力产生动态应力，并且这些力导致车桥桥壳的疲劳失效，而桥壳是组件的主要负载部分。因此，车桥桥壳在预测的使用寿命期间抵抗疲劳失效是至关重要的。在批量生产之前，桥壳壳体原型在动态垂直力下的承载能力和疲劳寿命应由垂直疲劳试验确定，如图2所示。在这些实验中，直到发生疲劳裂纹之前，预测的循环垂直载荷将由液压动力缸一直施加在试样上。根据验收标准，车桥桥壳原型必须抵抗N = 5times;10⁵个没有疲劳失效的负载循环。在如图3所示的不对称型车桥壳体的垂直疲劳试验中，在该负载循环限制之前在一些原型上产生了疲劳裂纹。在实验中观察到了疲劳破坏前的最小负荷循环约为3.7times;10⁵。在这些试验中，裂纹发生在班车过渡区域E 1和E 2。在图4中可以看到过早失效的一个例子。

为了预测过早失效的原因，在CATIA V5R15商业软件中形成了车桥壳体的详细实体模型。通过运用这个模型，创建了有限元模型。通过ANSYS Workbench V11.0商业有限元软件进行应力和疲劳分析。外壳材料性能从拉伸试验获得，其用来做有限元分析。还使用通过商业CAE软件——RecurDyn执行的从车辆动力学模拟获得的最大动态轴载荷进行分析。通过这些分析，获得应力集中区。为了执行疲劳分析，通过考虑疲劳强度修改因素来构建壳体材料的大致S-N曲线。将分析结果与垂直疲劳试验结果进行比较。为了防止过早失效并获得增强的疲劳寿命，提出了一些设计增强解决方案。

图1.商用车后桥桥壳总成

图2. 桥壳模型的垂直疲劳测试

图3.车桥桥壳几何形状

图4. 测试样品底部的疲劳开裂现象

图5. 车桥桥壳的完整CAD模型

1. 有限元模型

2.1．CAD和有限元模型

图5中展示了准备用来做分析的车桥桥壳的全尺寸CAD模型。车桥壳体基本上由两个等效的薄壁壳体组成，它具有9.5mm的均匀厚度并且是沿着后轴的中性轴线焊接而成的。在前面一边，安装环被焊接到壳体组件用来增加刚度，并且差速器壳的支座被螺栓连接在上面。出于密封的原因，将拱顶焊接到后侧。这里，元件A和B表示悬架的钳臂连接。支承C和D代表轮路接触。支撑壳体接触点之间的距离等于后轴的轮轨距离。车桥桥壳的实体模型通过CATIA V5R15组成。将完整车桥壳体的CAD模型导入ANSYS Workbench V11.0预处理环境中，构成分析所需的有限元模型。应力和疲劳分析中使用的有限元模型如图6所示。为了构建有限元模型，使用SOLID187（一种更高阶的三维实体单元）对壳体进行网格划分，该单元具有二次位移行为并且非常适合于对不规则网格进行建模。该元素由10个节点定义，每个节点具有三个平移自由度[2]。为了模拟壳体的结构部件之间的接触，使用CONTA174和TARGE170元件。选择完全接合的接触作为所有焊接表面的接触条件。有限元模型包括779,305个元素和1,287,354个节点。

图6.车桥桥壳的有限元模型

表1

S460N的化学特性（wt%）

表2

抗拉测试结果

2.2．壳体材料

用9.5mm厚的由微合金细晶粒，可热成形的标准化结构钢S460N（材料号1.8901，等同于ISO标准中的E460 [3]）制成的板子通过冲压焊接工艺来制造壳体。表1中给出了从供应商获得的材料的化学组成[4]。未处理的S460N的机械性能可以在参考文献[5]中找到。然而，在制造期间将几种工艺应用于外壳材料，包括高达800℃的退火和大约为750℃的热冲压。为了在有限元分析中考虑所应用的工艺对机械性能产生的影响并确定加工材料的确切性能，从后桥桥壳样品中提取了五个样品并进行了拉伸试验。所有的试验都在室温下进行。从车桥壳体中提取试样的区域超出了热影响区。表2中给出的结果是从五个试样获得的最小值，并且将它们用于了有限元模拟分析中。最终，材料的行为被定义为是线性各向同性材料的模型。

2.3．装载条件

根据在看到过早失效的垂直疲劳试验期间使用的负载范围，选择施加到有限元模型的载荷。在图7所示的80公吨负载能力的试验台上进行试验。该装置由两个带有称重传感器和伺服阀的电液致动器组成，它们位于卡钳连接A和B处。

图7. 垂直疲劳测试原理图

图8. 纵臂的偏心载荷

这里，T_s表示两个卡钳之间的轨迹，T_w表示C和D之间的距离，它是实际上后桥的车轮轨迹。壳体原型被设计用于后车桥，其由图8中所示的两个空气弹簧支撑。由于拖臂的偏心加载几何形状，弹簧力也产生扭转，这导致壳体上产生额外弯矩Delta;M。通过液压动力缸的偏心度c对试样施加额外的弯曲效应，如图7所示。每个弹簧的最大静态设计载荷为F = 2850 kg。负载作用于弹簧座并且在点Z_R和Z_L处垂直。这导致卡尺A和B上产生一个大小为P = 4550kg的静态反应。由于路面粗糙度导致的车身的集中质量的垂直加速度，每个卡尺上的最大动态负载估计是P的两倍。通过由商业CAE软件RecurDyn进行的计算机辅助道路模拟获得装载范围为182-9100kg。垂直疲劳试验中使用的试验载荷的特性见图9所示。考虑到额外弯矩Delta;M的影响下的最大动态载荷9100kg所以进行有限元分析。图10中给出的是根据参考文献[6]准备出来的车桥壳体的垂直负载模型。

1. 有限元分析及其结果

使用有限元分析来预测拉伸应力集中的区域和疲劳寿命相对来说比较低的区域的精确位置。P和△M施加在图10所示的卡钳连接处。运用装配了1.86GHz

图9.疲劳测试中的执行机构负荷特性曲线

图10.车桥桥壳的外加负荷及弯矩图

因特尔至强四核处理器的HPxw8400工作站借助ANSYS V11.0工作平台进行压力分析。图11所示为有限元分析所得的等应力分布图。分析结果显示应力集中区域F1、F2分布在桥壳承载区域底部的过渡区。从图12中可以看出疲劳失效区域与临界区域在同一位置。计算得出的最大分布应力为sigma;max=388.7Mpa；占到了材料屈服应力点的78.1％。这意味着如果它是静态施加的，那么车桥壳体原型满足最大负载的安全条件。

图11.下壳体上的工作应力分布

图12.测试与分析结果比较

1. 疲劳寿命预测

由于后轴壳体在使用期间实际上承受动态力，还进行了疲劳分析。应力寿命极限S^rsquo;_e的估计值为

S^rsquo;_e=0.504·S_ut （1）

钢材的强度极限小于1400MPa[7,8]。这意味着疲劳强度的周期为10⁶或更多。对于在10⁵-10⁶个循环范围内的部件的疲劳寿命预测，通过参考文献[9]中给出的实用方法使用从简单拉伸试验中获得的数据来估计车桥桥壳材料的S-N曲线。

S^rsquo;_e代表理想实验室样品的应力寿命耐力极限。为了预测机械部件的真实疲劳强度Se，S^rsquo;_e必须乘以几个修正因子，这些修正因子表示各种设计，制造和环境对疲劳强度的影响[10]。Se为

Se=kakbkckdkeS^rsquo;_e （2）

式中ka为根据下式得出的取决于表面抛光度的表面因数

ka=aS^b_ut （3）

由于桥壳表面的粗糙度与经过热冲压工艺的热轧钢板相似，因此推荐的标准为a=57.7和b=-0.718[7]. 经计算得出ka=0.564，S_ut =629.9MPa。另外，喷丸工艺作为一种常见的用于减少零件材料表面残留应力的方法，也用于增加热冲压后的桥壳表面的疲劳寿命。文献[9]中给出这种方法可增加70%的疲劳寿命。因此，在有限元分析中ka的取值为0.959。因为桥壳为非圆形截面，根据横截面深度h远大于50mm所以假定尺寸因数kb为0.75。由于环境温度T=0-250℃，所以弯曲和环境因数kd=1,进而确定负荷系数kc=1 [11]。

通过静态有限元分析，可得出应力集中区分布在琵琶形及横臂过渡区域。因此，除了上述提到的修正因数外，疲劳强度修正因数ke必须引入到分析中，ke可通过与疲劳应力集中系数Kf有关的静态应力集中系数Kt得到。因此ke的计算式为

ke=1/Kf （4）

出于安全原因的考虑，Kf假设与Kt相等[7]。由于车桥桥壳的尺寸大小及形状的复杂性，Kt无法从标准文献中查出。就另一方面而言，Kt被定义为

Kt=sigma;peak/sigma;nominal （5）

式中sigma;peak为凹口处得到的峰值应力，sigma;nominal为不出现应力集中时的常应力p[9,12]，sigma;peak的使用数值可从sigma;max=388.7MPa时的静态有限元分析中得出。为了计算得到sigma;nominal，将车桥后桥桥壳简化为一简支梁，其沿着纵轴Y的危险

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