后桥壳疲劳失效地有限元分析报告预测.docx

重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件C：译文 CPAGE 10 指导教师评定成绩(五级制 指导教师评定成绩 (五级制)： 指导教师签字： 后桥壳疲劳失效的有限元分析预测 关键字：后桥壳；应力集中；失效；有限元分析； 摘要 对与在试验中，当施加循环垂直应力在后桥壳上，产生了过早的疲劳变形的现象进行了研究。发现在这些试验中，裂缝主要出现在样品的同一区域。为了确定破坏的原因，建立了完整的后桥壳CAD模型。同时，桥壳的机械性能取决于其材料的拉伸性能。利用这些数据，运用有限元原理进行了应力及疲劳分析。确定了疲劳应变的发生位置以及不发生疲劳应变的最小循环垂直应力。将有限元分析的结果与实验的结果进行对比。设计提出了增强桥壳疲劳寿命的解决方案。 1.概述 由于具有较高的承载能力，固体车桥通常用于重型商用车辆上[1]。固体车桥的结构见图1.在车辆的使用中，车桥是主要承载部件，由路面不平产生的动态应力进而产生的动态压力导致了车桥产生疲劳破坏。因此，最重要的是进行桥壳抵抗疲劳破坏的寿命预测。在大规模生产前，有必要对桥壳模型在动态垂直应力作用下进行如图2所示的装载能力及疲劳寿命的有限元分析。在这些测试中，由液压机构提供的循环垂直载荷施加在样品上，直到样品出现疲劳破坏。根据承载标准，桥壳必须能承载N=5×105循环应力而不出现疲劳破坏。在对如图3所示不对称的桥壳模型进行垂直疲劳测试时，在应力达到极限前就有疲劳破坏出现在模型上。因此发现，不出现疲劳破坏的最小循环应力大约为3.7×105。在这些测试中，裂纹出现在班卓过渡区E1和E2。图4所示为一早期破坏的例子。 为了找出早期失效的原因，运用CATIA V5R15商业软件建立了一个详细的桥壳三维模型。利用该模型，建立有限元模型。运用ANSYS V11.0商业有限元分析软件工作平台进行应力和疲劳分析。通过拉伸测试的有限元分析获得了桥壳的材料性能，运用RecurDyn 商业CAE软件进行车辆动力学模拟，获得了桥壳最大载荷。通过这些分析，找到应力集中部位。为了实现疲劳分析，引入疲劳强度修正系数建立了桥壳材料的估计S-N曲线。将分析获得的结果与垂直疲劳测试实验的结果进行比较。为了阻止早期破坏并获得增大的疲劳寿命，提出了一些解决方案。 图1 商用车后桥壳总成 图2 桥壳模型垂直疲劳测试 图3 桥壳几何形状 图4 测试样品底部的疲劳开裂 图5 桥壳的完整CAD模型 2.有限元模型 2.1.CAD和有限元模型 分析用全尺寸车桥CAD模型如下图5所示。桥壳本质上由两个相同的薄壁壳组成，薄壁壳的厚度为9.5mm并沿着后桥壳的中性轴焊接。在前端面，一个用螺栓固定了差动齿轮装载器的曾环被焊接在桥壳上用来增强刚度。出于密封性的考虑，将一个圆盖焊接在后端面上。这里，元素A和B为下垂壁卡钳联接。支撑C和D代表轮与地面的接触。车桥支撑联接点之间的距离与后轴轮轨之间的距离相等。运用CATIA V5R15建立桥壳三维模型。将桥壳的完整CAD模型导入ANSYS V11.0工作平台前置处理界面，建立分析所需的有限元模型。有限元模型用于图6所示的压力及疲劳分析。为了建立有限元模型，桥壳按照SOLID187进行网格划分。SOLID187具有二次位移的三维实体单元并且适用于进行不规则网格划分。桥壳被定义为拥有10个节点，且每个节点拥有3个自由度。运用CONTA174和TARGE170元素建立桥壳各部件之间的联系。焊接表面的联接关系选择为完整的可靠联接。有限元模型由779,305个元素和1,287,354个节点组成。 图6 桥壳有限元模型 表1 S450N的化学特性（wt%） 表2 抗拉测试结果 2.2.桥壳材料 车桥壳是由9.5mm厚的微金属合金管壁经冲压焊接制成的，该管壁的材料为热成型标准钢铁S460N（材料编号1.8901，等同于ISO标准[3]中的E460）.该材料的化学成分是从供应商获得的，具体见表1[4]。未加工的S460N的机械性能见参考文献[5]。然而，桥壳材料在制造过程中需经过若干道工序，包括退火至800℃和750℃热冲压。为了将工序对机械性能的影响引入有限元分析并确定加工后材料的精确机械性能，从后桥壳模型中抽取5个样本并进行拉伸试验。所有的试验均在室温下进行。从