基于Ansys的车桥结构随机振动疲劳寿命分析

摘要：基于Ansys的结构随机振动疲劳寿命分析模块，在随机路面不平度激励下，以陕汽SX3255DM354型工程车辆前桥为研究对象，结合Miner线性累积损伤理论和材料P-S-N曲线，预测车桥结构理论疲劳寿命。

Abstract： Based on ANSYS module to analyze the random vibration of the axle， under the road roughness random vibration， taking the front axle of type SX3255DM354 engineering vehicle produced by ShanQi as the research object， combined with Miner liner cumulative law and P-S-N this paper obtained the theoretical fatigue life of the engineering vehicle axle.

关键词：随机振动；路面不平度；功率谱密度；疲劳寿命

Key words： random vibration；road roughness；power spectral density；fatigue life

中图分类号：TB533 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）06-0112-02

0 引言

车桥是车轮与悬架之间的重要连接构件，也是车辆的关键承载部件，其刚度、强度和疲劳寿命影响着车辆行驶的安全性、操纵稳定性和使用寿命等。实际工况研究表明，在随机载荷作用下，大多数机械零件承受高水平的应力而使零件发生随机疲劳破坏。因此，为确保车辆行车安全，有必要对车桥结构进行疲劳研究。

近年来，在结构的随机疲劳可靠性研究方面，基于功率谱密度（PSD）的頻域分析法以其分析、计算简单，且更适用于随机振动疲劳寿命的估算而受到了广泛的重视[1]。本文以功率谱密度（PSD）分析法为理论基础，基于Ansys的随机振动分析模块对车桥结构进行疲劳寿命分析，具有重要的理论意义和工程实用价值。

1 基于Ansys的随机振动疲劳寿命分析流程

Ansys中的谱分析有三类：响应谱分析、动力设计分析（Dynamic Design Analysis Method）和功率谱密度（Power Spectral Density）。本文采用功率谱密度分析法，以车桥结构功率谱密度作为数据输入，在Ansys中对车桥结构做随机振动分析，求得车桥结构应力功率谱，再结合疲劳损伤理论和材料P-S-N特性，计算车桥结构疲劳寿命。基于Ansys的车桥结构随机振动疲劳寿命分析流程如图1所示。

2 建立前桥结构有限元模型

有限元模型的建立是疲劳寿命分析的基础，SX3255DM354型车辆前桥结构尺寸如图2和图3所示，前桥结构主要设计参数有板簧中心距，主销中心距，板簧座截面尺寸，主销内倾角等。建立车桥结构模型时，①车桥的主要承载部位保持原有的形状和位置。②建模时，忽略了对分析结果影响不大的特征，如工艺小孔和某些形状复杂、不利于建模的特征。③为确保网格的规律性，对车桥某些局部特征做适当的简化处理。

在AnsysWB中建立该型车辆前桥结构三维模型，采用Solid92单元类型，控制单元类型的大小，并对车桥结构局部进行网格细划后得到12956个单元。如图4所示，前桥材料如表1所示。

采用数值模拟的方法得到F级路面功率谱密度曲线[2，3]，并将所得数据转换成.txt文档后加载到Ansys中。

3 前桥结构模态分析

根据汽车悬架结构的试验统计参数，该型工程车辆响应的频率范围为0.5～20Hz，计算所得车桥结构前10阶模态振型频率如表2所示，且已包涵车辆响应的频率范围。

5 结论

以功率谱密度（PSD）分析法为理论基础，运用Ansys的随机振动分析模块，对车桥结构进行模态分析分析并得到了1σ的最大Von miss值为MPa，结合Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累积损伤理论的三区间法对前桥结构的疲劳寿命进行预测，得到该型车辆在F级路面上行驶时，前桥结构的理论疲劳寿命，该方法对工程实际研究具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]张景绘，王超.工程随机振动理论[M].西安：西安交通大学出版社，1988.

[2]王鹏利，郭瑞峰.基于数值模拟载荷谱的车辆前桥随机振动疲劳寿命分析[J].工程机械，2013，10（44）：39-42.

[3]刘献栋，邓志党，高峰.公路路面不平度的数值模拟方法研究[J].北京航空航天大学，2003，29（9）：843-846.

[4]马瑞雪，王欣，张科峰.客车骨架结构的随机振动疲劳分析[J].机械研究与应用，2011（1）：54-57.

[5]GB/T7031-2005，机械振动 道路路面谱测量数据报告[S].北京：中国标准出版社，1987.