基于《道路车辆牵引座强度试验》标准的牵引座疲劳强度分析方法研究

宁厚于　杨献学　张军伟　李玉龙

摘 要：文章提出一种有限元仿真及经典疲劳强度公式分析相结合的方法，对某牵引座结构进行疲劳强度校核。按照GB/T 20069-2006《道路车辆 牵引座强度试验》标准相关要求，建立某牵引座动态试验有限元仿真模型，计算得到牵引座结构应力危险点在一个加载循环周期内的应力。按照经典疲劳强度公式校核牵引座的疲劳安全，并对牵引座进行动态疲劳试验验证。结果表明，牵引座疲劳安全满足使用要求，验证了该分析方法的有效性。

关键词：牵引座 动态试验 疲劳强度 分析方法

1 引言

牵引座作为牵引车和半挂车之间的重要连接件和安全件，不但承受横向、纵向、垂向各种载荷，还需要承受列车起步、加速、制动、转向等使用工况下的冲击载荷，其结构极易出现裂纹，甚至发生断裂现象。因此，牵引座的结构强度和疲劳可靠性将直接影响汽车列车的行驶安全性[1][2]。

某90#牵引座牵引座结构如下图1所示，为了验证其在结构改进后，疲劳可靠性是否满足GB/T 20069-2006《道路车辆 牵引座强度试验》要求，文章以其为研究分析对象，提出了一种有限元仿真及经典疲劳强度公式分析相结合的方法，分析该牵引座在GB/T 20069-2006《道路车辆 牵引座强度试验》标准情况下进行动态疲劳试验时的结构疲劳安全。文章首先按照该标准中动态疲劳试验要求，对牵引座结构进行仿真分析，确定结构应力危险点位置，进而得到应力危险点处一个循环周期内的应力情况，根据经典疲劳强度公式校核牵引座结构的疲劳安全，并通过动态疲劳试验验证了牵引座结构的疲劳安全可靠性。

2 牵引座动态疲劳试验要求

按照GB/T 20069-2006《道路车辆 牵引座强度试验》，牵引座动态疲劳试验相关要求如下：

如图2所示，对牵引座结构同时施加垂向载荷Fvt和纵向载荷Fht，按正弦曲线加载，循环次数为2×106，加载频率不超过35Hz，且不应与系统固有频率重叠，Fvt和Fht频率误差为1%～3%[3][4]。

式中：T为用于牵引半挂车的牵引车的最大设计总质量，单位为吨（t），文章取值20t；

R为由牵引座牵引的半挂车的最大设计总质量，单位为吨（t），文章取值52t；

D为牵引座的纵向力，文章U取值20t，根据公式2可得到D值为120kN。

在完成规定的动态疲劳试验后，要求牵引座结构不应产生永久变形、断裂或开裂。

3 牵引座动态疲劳试验有限元仿真分析

3.1 建立有限元仿真分析模型

文章采用Hyperworks软件建立牵引座结构有限元仿真分析模型，其中，为了提高仿真分析效率，在建模过程中忽略牵引座和牵引销挂接分离过程中的微小控制构件，结构件焊缝处采用共节点模拟；为提高有限元模型网格质量，在模型简化过程中忽略微小孔洞和圆角等细小特征[5]。同时，为模拟动态疲劳试验下的实际载荷加载情况，建立载荷加载工装板，工装板和牵引座面板之间建立面接触单元，将载荷加载到工装板上。整个牵引座结构的有限元仿真模型如下图3所示。

3.2 牵引座动态疲劳试验分析工况

首先对该牵引座结构进行静态载荷仿真，确定牵引座结构的应力危险点位置。再针对该应力危险点，选取动态疲劳试验一个循环周期内8个时间节点的载荷做动态疲劳试验仿真分析，具体载荷见下表1所示。

3.3 动态疲劳试验仿真结果

将上表1中载荷施加到有限元仿真模型中，可以得到牵引座结构动态疲劳试验一个加载循环周期内结构应力危险点的应力情况，其中工况1#和工况4#时的应力云图见图4和图5所示，一个加载循环周期内结构应力危险点应力汇总见表2。

4 牵引座结构经典疲劳强度分析

牵引座结构所用材料为热轧态16Mn低合金高强度结构鋼，根据《机械设计手册 疲劳强度设计（徐灏主编）》，该种材料机械性能参数如下表3所示。

P-S-N曲线的通用表达式如下：

式中：Np—存活率为P时的疲劳寿命；

—应力幅的均值，单位为MPa；

ap、bp—与存活率p有关的材料常数，见下表4所示。

根据公式（3）可以得出，

16Mn材料在99%存活率时，

107疲劳极限为σ-1（99%）=220MPa；

2x106循环时疲劳强度σ（2&6）（99%）=260MPa；

16Mn材料在50%存活率时，

107疲劳极限为σ-1（50%）=261MPa；

2x106循环时疲劳强度σ（2&6）（50%）=297MPa。

按16Mn 50%存活率S-N曲线，疲劳安全系数为1.5～1.8[6]，为了简化计算，按单轴载荷考虑，文章疲劳安全系数取1.8。

牵引座在一个加载循环周期内，应力危险点的最大应力σmax、最小应力σmin、应力幅σa、平均应力σm见表5所示，按单轴应力简化考虑，其中：

对于牵引座结构，计算疲劳安全系数：

式中：

由于采用有限元仿真计算应力，已考虑材料的应力集中现象，有效应力集中系数Κσ取1[7]；

尺寸系数ε，查表取0.85；

表面系数β，按锻造取0.65；

不对称循环系数φa按公式（7）计算：

计算得到，牵引座结构疲劳安全系数n-1=2.5，大于疲劳安全系数1.8，疲劳安全系数满足要求，牵引座结构在动态疲劳试验工况下不会发生疲劳破坏。

5 台架试验验证

将牵引座固定在动态疲劳试验台架上，并按公式（1）和（2）得到的载荷加载，如图6所示。经过200万次载荷循环后，牵引座结构未发生永久变形、断裂或开裂，状态完好，牵引座结构疲劳可靠性满足特种车辆的使用要求。

6 结论

文章针对某90#牵引座结构，利用有限元仿真分析及经典疲劳强度公式分析相结合的方法对其进行了结构疲劳强度校核，并进行了动态疲劳试验验证。结果表明，牵引座疲劳强度和可靠性满足标准GB/T 20069-2006《道路车辆 牵引座强度试验》相关要求，验证了该分析方法的有效性，为今后牵引座的实际设计和制造提供了一定的借鉴和参考。

参考文献：

[1]杨通顺.半挂牵引车牵引座要览（上）[J]. 汽车与配件，2004（46）：28-30.

[2]蔡玉强，赵飞，孟欣，等.半挂车牵引座结构强度有限元分析[J].制造业自动化，2014（24）：57-59.

[3]陈韬，伍丽娜，张凯.牵引座疲劳寿命试验分析[J]. 机械制造，2021 59（46）：73-76.

[4]娄成立，郭世永，娄成玲.半挂车牵引座静力与疲劳分析[J]. 工艺与装备，2011（4）：49-51.

[5]洪清泉，赵康，张攀. OptiStruct & HyperStudy 理论基础与工程应用 [M]. 北京，机械工业出版社，2012.

[6]徐灏.机械设计手册 疲劳强度设计[M]. 北京，机械工业出版社，1981.

[7]金明新.半挂车牵引座强度要求及其试验方法[J].专用汽车，2005（1）：43-45.