基于随机振动的某客车车架疲劳寿命研究

蔡加加，王东方，苏小平，宁士翔，金裕存

（1.南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 211816；2.宁波跃进汽车前桥有限公司，浙江 宁波 315021）

0 引言

车架作为客车的主要承载部件，其强度、刚度及疲劳寿命都直接关系到整车的安全性、舒适性及使用年限［1］。据相关资料统计，有80%～95%的结构失效都是源于疲劳失效，而引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远小于在静态断裂分析估算出来的“安全”载荷，因此，开展对车架的疲劳研究有着重要的意义。

本文将动态结构模拟成为一个线性传递函数，采用频域方法对某客车车架进行疲劳寿命研究［2］。

1 车架频率响应分析

1.1 车架有限元模型

本文研究的客车车架为典型的边梁式车架，由于车架大部分零件是由薄钢板经冲压成型，因此可采用壳单元模拟车架的结构部件。首先抽取零件中面，对纵梁和侧翼板采用10mm的四边形壳单元进行划分，对横梁以及与横梁焊接的纵梁处采用5mm的四边形壳单元进行划分，对不能抽取中面的部件，如第3，4，6根横梁与纵梁连接板，可采用5mm的实体网格划分。图1为建好的车架有限元模型。

1.2 频响分析

对车架进行单位加速度激励下的频率响应分析，约束及加载情况如下：前后悬架与车架连接处约束除x向和z向平动以外的所有自由度；分别在两前、后悬架与车架连接处施加z向单位加速度激励［3］，采用直接法进行求解，激励频率为0Hz～20Hz。以前悬为例，左前悬架与车架连接点处的位移响应函数如图2所示。

图2 左前悬架与车架连接点处位移响应函数

2 动态外载仿真获取

利用ADAMS/CAR软件建立整车动力学模型，如图3所示。其中，前悬为双横臂扭杆弹簧独立悬架，后悬为非独立钢板弹簧悬架。由于在整个ADAMS虚拟样车仿真过程中，忽略空气对车辆表面的作用，因此将车身简化为一刚体质心球［4］。通过输入车身质量4 020kg，质心坐标（1 376，0，1 210），转动惯量lxx＝2.853 8kg·mm2、lyy＝12 532kg·m2、lzz＝11 370 kg·m2等参数来进行模拟仿真。仿真路面选择B级随机路面（沥青路面），仿真时间为20s，汽车行驶速度为60km/h。左前悬架与车架连接点处所受到的动态外载仿真结果如图4所示。

本文采用频域方法进行车架疲劳分析，将采集到的时域信号通过快速傅立叶变换转化为频域信号。左前悬架与车架连接点处的PSD信号如图5所示。

3 车架疲劳寿命分析

3.1 基于窄带信号的疲劳分析

1964年，Bendat［5］首先提出由PSD信号求疲劳寿命的方法。此方法说明了一个窄带信号随着带宽的降低，波峰的概率密度函数趋向于一个瑞利分布。对于一个窄带时域信号，Bendat假定所有函数值为正的波峰将跟随一个对应的数值相等的波谷，不管它们是否构成应力循环。根据假定，应力范围内的概率密度函数也趋向于一个瑞利分布。Bendat为完善这一解法，用PSD曲线下的惯性矩估算预期的波峰数［6］。Bendat的范围均值直方图窄带解可表示为：

图3 整车动力学模型

图4 左前悬架与车架连接点处所受到的动态外载

图5 左前悬架与车架连接点处的PSD信号

值得注意的是，用Bendat窄带解在处理宽带时域信号时，它给出的结果非常保守，图6说明了使用这样一个假定所导致的结果，窄带时域信号的特征是每个波峰对应有一个同样大小的波谷，而宽带时域信号却表现为一个低频载波上有一些小波［7］。

3.2 基于宽带信号的疲劳分析

1985年Dirlik提出了一种解决低频载波上小波问题的经验闭合解，并得到了广泛的应用，如图7所示。它是4个PSD惯性矩m0，m1，m2，m3的一个函数，Dirlik方法的数学表达式为：

其中：TP（S）为4个PSD周期时间。

图6 Bendat方法存在的问题

图7 Dirlik方法

3.3 结果分析

本文采用的是基于宽带信号的疲劳分析方法。车架疲劳寿命分析结果如图8所示。

图8 车架疲劳寿命

根据图8结果显示，车架最危险的部位出现在第5根横梁上连接板与车架纵梁上翼面连接处，此处的可循环时间为20 722.2h，由于一次循环时间为20s，故可计算出循环次数为373万次。根据车速为60 km/h，算出该车架可行驶大约124.33万公里。我国规定的汽车使用经济寿命为12年和60万公里，按平均使用5万公里/年［8］，可知该车架可使用25年，故该车架可满足寿命要求。

4 总结

本文针对某轻型客车车架，运用PSD分析方法，在频域内对该车架进行疲劳寿命分析。由分析结果可知，该车架最危险位置为第5根横梁上连接板与车架纵梁上翼面连接处，但危险处的疲劳寿命满足使用要求。

［1］陈家瑞.汽车构造（下册）［M］.第2版.北京：机械工业出版社，2005.

［2］王国军.Msc.Fatigue疲劳分析实例指导教程［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［3］杜中哲，朱平，何俊.基于有限元法的轿车车身结构及焊点疲劳寿命分析［J］.汽车工程，2006，28（10）：944-948.

［4］陶利民.基于ADAMS/Car的非独立悬架轻型客车操纵稳定性和行驶平顺性仿真研究［D］.上海：上海交通大学，2010：29-31.

［5］Bendat J S.Probability functions for random responses［R］.NASA Report on Contract NASA-5-4590.［s.l.］：NASA，1964：50-56.

［6］彭为，靳晓雄，左曙光.基于有限元分析的轿车后桥疲劳寿命预测［J］.汽车工程，2004，26（4）：507-509.

［7］林晓斌.基于功率谱密度信号的疲劳寿命估计［J］.中国机械工程，1998，9（11）：20-23.

［8］梁和争，孙琪.汽车动力使用寿命及其标准［J］.天津汽车，1997（2）：26-31.