某特种车辆车架疲劳可靠性分析研究.pdf

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南京理工大学硕士学位论文某特种车辆车架疲劳可靠性分析研究姓名：

刘静申请学位级别：

硕士专业：

车辆工程指导教师：

王显会20070601南京理工大学硕士学位论文某特种车辆车架疲劳可靠性分析研究摘要论文以某特种车辆为研究对象，采用有限元分析技术与试验相结合的方法研究了此车辆车架的可靠性。

本文首先利用有限元分析软件ANSYS分析了车架在几种典型工况情况下的静态分析。

分析结果表明，该车架的应力值小于材料的强度极限，满足设计的要求本文还进行了车架的动态分析，通过模态分析，求得其的固有频率和振型，并对车架的动态特性做出了初步评估，分析表明外部激励源不易激起车架的共振。

在模态分析的基础上，将仿真软件ADAMS仿真计算出的车辆在四种典型发射工况时的后座力时间历程作用到相应的车架有限元模型上，分析了车架在这四种典型工况下的动态响应。

为下一步研究冲击载荷下车架的可靠性作准备。

获得证确的载荷谱是对车架进行疲劳可靠性分析的关键，本论文采用实测的方法获得车辆在典型路况行驶时作用在车架上的载荷谱，最后，运用疲劳可靠性理论与专业疲劳分析软件惦cFATIGUE对车架进行了疲劳寿命计算。

此分析为车架的可靠性及安全评价打下了基础。

关键词：

车架有限单元法静态分析动态分析疲劳可靠性南京理工大学硕士学位论文某特种车辆车架疲劳可靠性分析研究AbstractTherellabilityoftheframeisdiscussedinthisthesisforsomespecialvehicle，usingcomputeranalyticmethodandexperimentalmethod11坨frameofsomeespecialveincleisanalyzedandstudiedusingtheANSYSinthepaperFirstofall，thestaticintensityoftheframeisanalyzedandstudiedinsomeparticularinstance，andtheresultindiemesthatthestressoftheframeislessthantheutmostintentionto瑚isttobepulledofthematerialbeingusedsotheframeissatisfiedwiththedesignDynamicalanalysisismadeinthepaper,throughanalyzingthemodeoftheflamebydintoftheFiniteElementmodel，theinherentfrequencyandthevibrationmodeoftheframeisgot，thedynamiccharacteristicoftheframeistentativelyestimatedInthispaper,thedynamicloadsontheframeinfourtypicalcas髑alesimulatedusingADAMSTheTransientDynamicalResponseAnalysisoftheframeisrcsearchedusingthesedynamicloads，andthestresstimehistoriesisacquiredinsometypicalcaseFinally,theloadingspectnmainthetypicalroadacquiredcorrectlyisthekeytotheevaluationoffatiguereliabilityoftheframe，whichisobtainedbythewayofroadtest，andthefatiguelifeoftheframeiscalculatedusingthetheoryoffatiguereliabilityandprofessionalfatigueanalysissoftwareMSC伊TIGUEwhichisfundamentalforthepredictionoftheframereliabilityandsafeevaluationoftheframeKeyWords：

FrameFiniteElementsMethodStaticAnalysisDynamicalAnalysisFmigueReliability声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。

与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。

研究生弥稗产7月罗日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阕或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。

对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。

研究生签名：

肄湖7年7月夕目南京理工大学硕士学位论文某特种车辆车架疲劳可靠性分析研究1绪论11引言车架担负着整车及负载的承载，完成路面行驶、特种搭载等任务，不仅要有足够的刚强度，还要有良好的可靠性。

疲劳失效是在交变荷载作用下构件或结构的主要失效形式。

在工程结构和机械设备中，疲劳破坏的现象极为广泛，它遍及每一个运动的零部件，甚至看上去是静止的，只要它承受反复作用的载荷，就会导致疲劳破坏。

据统计约有80以上的机械结构的破坏是属于疲劳破坏。

特别是近30多年来，随着机械向高温、高速和大型方向发展，机械零构件所受的应力越来越高，服役条件越来越恶劣，疲劳失效事故更是层出不穷。

许多发达国家越来越重视疲劳问题的研究，进行了大量的疲劳分析工作。

因此，研究疲劳断裂的原因，寻找提高材料疲劳抗力的途径以防止疲劳断裂事故的发生，对于发展我国国民经济和科学技术都有重大而深远的意义ll】。

车架是整个汽车的基体，汽车绝大多数部件和总成（发动机、传动系统、悬架、转向、驾驶室、货箱和有关操作机构）都是通过车架来固定其位置的。

车架的功用是支承连接汽车的各零部件，并承受来自车内外的各种载荷。

当汽车在复杂多变的路况上行驶过程中，固定在车架上的各总成和部件之间不应发生干涉。

当汽车在崎岖不平的道路上行驶，车架在载荷作用下可产生扭转变形以及在纵向平面内的弯曲变形，当一边车轮遇到障碍时，还可能使整个车架扭曲成菱形。

因此，车架是一个要求严格的大型受力构件，必须有足够的刚强度和疲劳强度，由此可见，车架的可靠性分析非常必要。

而现在汽车设计的趋势之一是轻量化设计，要求车架质量尽可能小，车架的可靠性分析就更加重要了。

通过对车架系统结构进行疲劳强度分析及寿命预估，不仅可以对现行车辆车架进行剩余评估，而且能有效地指导新型车辆的开发，提高了国内车辆的设计水平，具有十分重要的理论意义和实用价值。

12车架有限元的发展与现状随着计算机技术的发展，有限元分析在车架结构设计中得到了广泛的应用【2】。

采用有限元法是随着计算机的出现而发展起来的一种新兴的数值计算方法，它能对工程实际中几何形状不规则、载荷支撑情况复杂的各种结构及零部件进行变形计算和应力分析，而车身、车架不论形状，还是载荷都很复杂，所以有限元法是计算车身、车架的一种有效而实用的工具。

就有限元法来说，近30多年来，它的应用范围已从杆、梁类结构分析扩到了对弹性力学平面问题、空间问题以及板壳问题的分析，由分析静态问题扩展到分析动态南京理丁=大学硕士学位论文某特种车辆车架疲劳可靠性分析研究问题、波动问题和稳定问题，分析对象也从弹性介质材料到粘弹性、塑性等复合材料。

由此可见，有限元法已经获得了前所未有的巨大发展，由于有限元有着无可比拟的优越性，有限元法在飞机、船舶、汽车和拖拉机等机械设计中都得到了广泛的应用。

有限元法给车架设计提供了先进的设计手段。

通过有限元计算，可以找到设计中存在的问题，为今后的车架设计提供了重要的理论依据。

由于车架结构的复杂性和载荷的复杂性，优化设计与有限元分析程序相结合，将会获得更好的效果，这也是我们今后进行车架设计的方向口儿“。

随着计算机的出现和飞速发展，车架作为一个大型复杂结构对其进行有限元分析计算已经广为应用。

早期的车架强度计算是将车架简化为简支梁，只作车架弯曲状态下的强度校核。

随着有限元的发展和推广，国内汽车行业将有限元法应用于汽车车架的动、静态计算，但采用梁单元模拟车架建立车架强度分析的有限元模型，对于一些低合金钢板冲压成型或槽钢，工字钢等型材制作的车架，这种模拟方法存在很多的不足之处。

例如，每一个单元内，截面尺寸不变，因而梁单元模拟变节面形状的构件时，计算精度较低。

仅采用梁单元，无法反映车架纵梁和横梁的连接情况，难以准确计算车架构件结合部的应力，计算结果只是各节点的应力情况，不能得到构件截面应力分布，因而不能为截面形状设计提供数据晦。

近年来国际上的汽车结构设计趋向于采用等强度、等刚度以及等寿命的设计原则，并能准确预测车身零部件的寿命，精确而有效的预测零部件的动态应力历程。

汽车结构在实际工况下承载较为复杂的随机激励载荷，车架局部开裂情况时有发生。

1998年清华大学的陆秋海等人已经通过实验证明动应力过大是造成车架开裂的主要原因，因而应力随车速提高而明显增大。

虽然通过实验或路试能够获得较为精确的动态应力历程，但前提是以制造出样车。

如果在设计阶段就能够在各种不同的人一车一路面系统仿真一下，获得车架的动态应力历程，则不仅可以较为精确的预测车架的安全性和寿命，而且可以通过重分析优化其结构，降低整车质量。

关于动态应力计算方法的研究，目前在国内外己成为热点。

13疲劳可靠性问题研究概况疲劳可靠性研究旨在从经济性和维修性要求出发，在规定工作条件下、在完成规定功能下、在规定使用期间内，使结构因疲劳或断裂而失效的可能性减至最低程度。

工程技术人员对疲劳问题进行试验和研究的历史已经超过一个世纪。

1829年，德国采矿工程师阿尔倍特做了铁链的重复载荷试验，提出了第一个疲劳问题的研究报告。

1839年波克来特首先使用“疲劳”（Fatigue）-词来描述“在反复施加的载荷作用下的结构破坏”。

但是，以疲劳一词作为题目的第一篇论文是由勃累士畏特于1845年2南京理工大学硕士学位论文某特种车辆车架疲劳町靠性分析研究在伦敦土木工程师学会上发表的【6。

白此拉开了疲劳研究的序幕。

最初，疲劳分析中常采用“定值”方法，即将作用在构件的工作应力和构件所用的材料性能均视为确定的数值。

按照这种观念，只用荷载和材料性能的平均值进行疲劳分析和设计往往会造成大量构件在预定的使用期间失效。

因为实际构件所受到的外部荷载不仅随工作状况不同而改变，而且还受到偶然因素的影响，所以必须把疲劳荷载当作随机变量来处理。

另一方面，疲劳性能也由于材料组织的不均匀性、内部缺陷的随机分布和加工处理中的一些偶然因素而产生很大的分散性。

同一组样本在相同的试验情况下，有时寿命能相差数倍之多。

对于疲劳扩展问题，Virklcr的实验已证明结构的材料参数随空间坐标的随机变化，将引起裂纹尖端应力场的不确定性，这种不确定性对疲劳裂纹扩展问题有着明显的影响。

此外，构件的几何尺寸、应力集中、表面加工状态、外界条件以及计算模型的不确定性，都对疲劳裂纹扩展寿命产生一定的影响。

为了考虑这些不确定性的影响，必须采用概率断裂力学，综合统计和力学分析方法对疲劳裂纹扩展分析和剩余寿命估算。

概率断裂力学就是将以往设计中被认为是确定性的参量随机化，在数学上使用其统计分布的数学特征或者利用数值实验方法计算分析结构在一定服役期中失效的发生概率。

由于概率断裂力学能充分考虑到材料性能的分散性、结构中原始缺陷的不确定性和荷载的随机性，因此比用经典的断裂力学方法分析疲劳裂纹扩展寿命更为精确。

它从经济性和维修性要求出发，在规定工作条件和完成规定的功能下并在规定的使用期间内，使得结构因疲劳或断裂而失效的可能性减至最低程度，其理论重点是研究结构达到指定使用时间的可靠度和指定可靠度要求所对应的寿命。

因此，疲劳断裂可靠性的研究对预测破坏概率和可靠寿命、确保结构安全、保证和提高产品的可靠性水平，减少设备的维修费用以及提高经济效益和产品的市场竞争能力具有重大意义。

传统的“安全寿命设计”要求结构在一定的使用期间内不产生疲劳裂纹，并以裂纹萌生作为寿命的终结，而未计及裂纹扩展寿命。

此外，还未考虑在使用期内如何实施检修制度，以排除可能出现的意外损伤和初始缺陷，因此安全寿命设计并不能保证安全。

基于现代断裂力学原理，在结构设计中已发展有“损伤容限设计”，按照这种设计原则，在结构使用期间内允许存在初始缺陷或出现疲劳裂纹，但必须保证裂纹扩展速率较慢，使含有裂纹结构有足够的剩余寿命和剩余强度持续工作，直至下次检修时能够发现于以修复或更换，也不至于裂纹增长对强度削弱过多而造成事故。

但是，损伤容限设计原则在寿命预估中未考虑裂纹形成阶段，而是从某一初始裂纹计起，又由于该初始裂纹长度及其形态乃属随机变量，取决于制造工艺和检测水平等，因此，在处理实际问题时也遇到一定的困难。

由此可见，上述两种设计原则均存在一定的局限性。

1945年，MAMiner提出了疲劳线性累积损伤理论。

1966年曼森（Manson）提出南京理工大学硕士学位论文某特种车辆车架疲劳可靠性分折研究了“双线性损伤法则在累计疲劳上的应用”，将疲劳过程划分为两个阶段裂纹形成和裂纹扩展。

此后，达根（Duggan）等人先后对疲劳寿命赋予更明确的含义瞪】。

在第二次世界大战中，美国不少军用飞机因电子系统常出现故障而不能起飞，由此提出了“可靠性”的问题。

1957年，美国国防部电子器件可靠性咨询小组的技术报告军用电子设备可靠性的发表，推动了“电子器件系统可靠性”的研究。

此后于60年代，可靠性概念就广泛向机械行业渗透。

JTayior，GJacoby，NHSandlin等研究了疲劳载荷的统计处理方法。

WWeibull，RELittle，CLipson等对疲劳试验设计和试验结果统计处理进行了研究。

AMFreudenthal，FBStulen，EBHaugen，DKeceeiogiu对疲劳可靠性分析和设计做了开拓性的工作。

现在，可靠性设计已作为研制机械产品的重要手段。

在学术上，疲劳可靠性的研究也已形成体系，发表了不少论文和著作。

1985年在日本召开的“第四届国际结构安全性和可靠性会议”（IcoSsAR85）上曾发表论文250多篇，其中“疲劳可靠性”专题论文约30篇【lo】。

其发展趋势在于探讨建立更有效的概率模型，以期形成完整的可靠性理沦，并用于解决实际问题。

14本文工程背景介绍该特种车辆底盘分系统是在跃进汽车集团公司的NJ2046系列军用越野汽车主要总成的基础上，设计开发一个全新的三轴6X4车载炮二类专用底盘。

底盘分系统车架纵梁分前后两段，总长为6115mm，前段截面尺寸为189mmx85rmnx5m，长度为2575mm，后段截面尺寸为320mmxl60mmx5mm，长度为3540mm，纵梁两外端面宽度为1030rmn。

车架纵梁分前后两段，前段主要承载驾驶室及动力系统的重量，后段承载火炮、火控及其它设备。

前段由5m厚大梁钢板折弯成半“工”字形，在适当地方设计若干加强板，以加大其承载能力和抗弯扭强度；车架后段为四周封闭型矩形梁，并在前端安装火炮的位簧四周设置四根加强梁。

前后两段各设置两根横梁，前面两根横梁为83x3m圆形钢管，后面两根横梁为中12145mm圆形钢管。

纵梁后段四周设置加强筋，后段尾部设计方形横梁，作为助锄的安装梁，根据特种车辆项目中底盘分系统的研制要求，底盘分系统应具有良好的路试可靠性，同时该分系统又是作为冲击载荷的平台，在受冲击载荷下也应具有较高的的可靠性。

其中车架系统是关键部分，是主要的受载体，对该车架进行疲劳可靠性分析研究有十分重要的意义。

4南京理工丈学硕士学位论文某特种车辆车架疲劳可靠性分析研究15本文的主要研究问题本课题以某特种车辆的车架为研究对象，运用有限元分析方法和试验法相结合的方法，分析该车辆车架的可靠性。

由于此车用途的特殊性，要全面考察该车辆车架的疲劳可靠性，必须从受冲击和路面行驶两个方面研究。

由于条件限制，本论文着重研究该车辆在典型路面上行驶时车架的疲劳问题，为下一步对该车架进行全面可靠性分析作准备。

本研究具体的思路与方法为：

（1）在阅读相关中英文献的基础上，了解现存及潜在的车架的疲劳强度可靠性问题，并消化相关的分析软件，为车架的可靠性分析奠定了基础；

（2）获得车架的总体尺寸参数，约束位置及约束方式，载荷的大小及具体位置，并采用有限元软件ANSYS建立车架有限元模型，对车架进行静态分析，并进行强度校核。

主要分析计算车架在八种典型工况下的静应力和变形情况，保证车架的强度和刚度；（3）分析车架的动态特性。

应用ANSYS对车架进行模态分析，获得车架的固有频率和振型，并对车架的动态性能进行初步评价；应用动态仿真软件ADAMS仿真计算出该特种车辆在四种冲击工况下的后座力时间历程，将此载荷历程作用到相应的有限元分析模型，应用ANSYS分析计算出四种工况下车架的动态响应；（4）通过实地测试得到车辆在典型路况行驶时，作用在车架上的载荷谱，运用疲劳可靠性分析理论和疲劳专业分析软件MSCFATIGuE对车架典型路况行驶时的疲劳寿命进行分析计算。

南京理工大学硕士学位论文某特种车辆车架疲劳可靠性分析研究2车架的有限元静态强度分析21有限元法概述211有限单元法的基本原理及其分析问题的方法有限元法是将连续体理想化为有限个单元集合而成，这些单元在有限个节点上相连接，亦即用有限个单元的集合来代替原来具有无限个自由度的连续体。

由于有限单元的分割和节点的配置非常灵活，它可适应于任意复杂的几何形状，处理不同的边界条件。

单元有各种类型，包括线、面和实体或称为一维、二维和三维等类型单元。

节点一般都在单元边界上，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷，这样就组成了有限单元集合体。

在此基础上，对每一个单元假设一个简单的位移函数来近似模拟其位移分布规律，通过虚位移原理求得每个单元的平衡方程，就可建立整个物体的平衡方程。

考虑边界条件后解此方程组求得节点位移，并计算出各单元应力。

无论对什么样的结构，有限元分析过程都是类似的。

对不同的结构，要采用不同的单元，但各种单元的分析方法又是一致。

有限元分析过程包括：

从物理模型（实际结构）到计算模型的简化和特征提取，该过程称为特征建模（characterizedmodeling）；然后是有限元分析建模（FEAmodeling），即在有限元分析平台上进行计算。

由于有限元通用程序使用方便，计算精度高，其计算结果已成为汽车产品设计和性能分析的可靠依据。

有限元分析已成为汽车设计中的重要环节，无论是在车型改造，还是在新车开发阶段，就产品中的强度【111、疲劳【l”、振动和噪声“31等问题进行设计计算分析，可提高设计质量，缩短开发周期，节省开发费用，真正形成自主的产品开发能力。

在概念设计阶段，从最初的总布置即可介入，如概略确定车身、发动机等总成的拓扑和结构参数；在产品设计阶段，对结构及零部件进行强度、刚度校核和优化设计；在样车试验阶段，进行专项分析，如部件疲劳分析【”】、整车碰撞计算“钔等，解决设计中存在的问题，将问题解决在产品投放市场之前，实现减少投资风险的产品效益最大化的目标。

随着计算机技术的飞速发展，计算规模、计算速度、计算机容量等已不再是主要矛盾，在汽车结构的有限分析中，大多数问题都可以在微机上完成。

应用中的主要难题是如何精确的建立计算模型；如何实现计算模型中各种支承、连接与实际结构相符；如何确定载荷，尤其是动态载荷、路面载荷等；如何施加载荷，以反映各种行驶状态等6南京理工大学硕士学位论文某特种车辆车架疲劳可靠性分析研究212有限元法的优缺点综合来说，有限元法的优点是显而易见的。

（1）整个系统离散为有限个单元、并将整个系统的方程转换成一组线性联立方程。

从而可以用多种方法对其求解：

（2）边界条件不进入单个有限单元的方程，而是在得到整体代数方程后再引入边界条件。

这样，内部和边界上的单元都能够采用相同的的场变量模型。

而且，当边界条件改变时，内部场变量模型不需要改变；（3）有限元法考虑了物体的多维连续性，不仅在离散过程中把物体看成是连续的，而且不需要用根本的插值过程把近似解推广到连续体中的每一点；（4）有限元法不需要适用于整个物体的插值函数，而只需要对每个子域单元采用各自的插值函数要用分别的插值过程把近似解推广到连续体中的每一点；（5）该方法能够很容易求解非均匀连续介质，而其他方法处理非均匀性则很困难；（6）适用于线性或者非线性场合；（7）该方法能够在不同层面上得到阐述或理解。

对有较深数学知识的人来说，完全可以用数学语言来描述，并获得严格推理。

而对于一般工科学生来说，可以只从物理层面上得到理解；但是有限元法也有其不足，最主要体现在应用上：

（1）有限元计算，尤其是在对复杂问题