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车架弯扭组合台架疲劳试验仿真

张诚,刘道勇,丁培林,刘宗晟

东风商用车技术中心

摘要:为考虑商用车车架总成在用户使用中受扭转时的工况，台架试验引入了车架轴间扭转角参数。利用车架轴间扭转角度加载就可以利用室内车架疲劳试验台架尽可能的模拟车架的实际工况。然而在试验过程中发现，台架试验与CAE分析模型简化上的差异，导致结果

出现较大的差异。本文为提高仿真的精度，建立了尽可能与试验模型一致的仿真模型。在

建立台架仿真的模型时，考虑前后悬连接方式对车架的影响，在需要特别关注的部位设置了接触，同时考虑了结构的几何非线性和材料的塑性性能。利用Abaqus有限元软件完成了

车架仿台架扭转分析，得到了结构的应力分布，然后将应力结果导入到疲劳软件，计算出

结构的损伤和寿命。得到结果与台架试验结果吻合，一致性较高。

关键词:车架台架试验仿真疲劳

1.引言

在对某商用车底盘车架进行台架试验中，出现车架开裂。然而车架开裂位置与疲劳耐

久分析结果存在较大差异，对比台架试验和简化的CAE分析模型，发现CAE模型在模型简化中存在较多的问题。对于前悬结构，原始模型对夹具采用刚性单元建模，没有考虑实际夹具的柔性；对于后悬结构，原始模型只考虑了板簧，而忽略了后桥、V型推力杆和直推

杆结构的影响，这些结构对车架的整体刚性有非常大的影响；对于加载压板，原始模型忽

略了压板本身对结果的影响，未考虑建立压板模型；对于横梁连接板和纵梁的连接，原始模型只考虑了螺栓的连接，却忽略了车架纵梁和横梁连接板之间的接触关系。

图1.车架扭转试验

本文完全依照试验条件，建立车架台架扭转试验的有限元模型，考虑了弯、扭组合工

况下结构的几何非线性，材料的塑性，以及关键部位的接触，利用Abaqus求解车架应力分

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布，并将Abaqus的结果文件导入疲劳分析软件，得到车架结构的损伤和寿命，并与台架试验对标，得到了较为满意的结果。

2.分析模型

2.1前悬架总成模拟

简化模型板簧吊耳之间直接用刚性单元建立连接，扭转加载也直接在吊耳中间之间加载位移。然而，在台架试验中，固定车架的钢梁在加载中会产生柔性变形，因此需对钢梁

用梁单元模拟，截面尺寸模拟与实际情况一致。而对于加载钢梁和支撑吊耳钢梁之间的支架，由于其刚性较大，故简化用刚性元模拟。悬架连接点的自由度释放与试验状态一致，

旋转副约束平动自由度，铰链释放单向转动，扭转加载方式与试验一直在钢梁的一段施加强制位移。

图2.简化模型和仿台架试验模型对比

2.2后悬架总成模拟

在对车架进行常规CAE分析时，往往只考虑后板簧，而没有考虑后桥、推力杆等对结构的影响，通过仿真计算发现，后桥、推力杆等结构对车架有较大的影响，为提高计算精度必须考虑后悬结构。因此，本文建立了包含后桥推力杆等结构后悬总成的有限元模型。图3为简化后悬模型、仿台架试验后悬模型和实际后悬结构的对比。

图3.简化后悬模型、仿台架试验后悬模型和实际后悬结构对比

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在仿台架试验的最终模型中，钢板弹簧用SPRING2单元模拟，刚度与实际一致；V型推力杆和直推杆用梁单元模拟，且保证梁单元的截面形状与实际结构的截面形状一致；悬架各个连接点的自由度释放保证与实际状态一致。对于车桥，由于其不是重点关心的区域建立其有限元模型会占用非常多的计算资源，且其相对于车架结构刚性很大，因此用梁单

元来对车桥进行简化模拟，设置梁单元的刚度很大，认为其是刚性的。在有限元模型中保证所有的硬点坐标与实际状态一致，且所有连接点的自由度释放与实际状态一致。

2.3关键部位接触模拟

在仿真计算中按照实际情况设置接触可以提高结果的精度，但同时也会极大的增加计

算成本。因此，本文只需对关键部位设置接触，通过扭转工况下的变形和应力分布，可以确定第二横梁附件为扭转变形的过渡区域，因此需在此区域建立纵梁与横梁连接板之间的

接触。同时压板与车架之间只考虑螺栓连接与实际差异较大，因此也设置了接触属性，如图4所示。

图4.接触设置区域

2.4材料的塑性特性

对于本文中的车架台架强扭试验，结构的部分区域会出现塑性变形，因此，在进行有

限元分析时，需考虑材料的塑性特性。本文有限元模型共涉及10种材料，其中纵梁、横梁

及一些关键的铸件给定了材料发生塑性变形后的塑形应力应变曲线。

2.5边界条件

本文边界条件按照台架试验的方式加载，如图5，在扭转钢梁的端点施加沿Z向的强

制位移，保证车架扭转角度为+/-5.5。，车架压板施加17.6KN垂向力在加载压板上，压板与

车架通过四个螺栓相连。

图5.模型的加载和约束方式

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