某廠家生產(chǎn)的載貨車輛行駛中，車架局部發(fā)生開裂現(xiàn)象。為了修改優(yōu)化車架，對(duì)車架局部開裂處分別進(jìn)行了修改前后的強(qiáng)度對(duì)比分析和應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)。分析研究修改前后車架應(yīng)力分布情況，驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性。

車架開裂位置及結(jié)構(gòu)

車架開裂位置

某型號(hào)載貨試驗(yàn)車輛在試驗(yàn)場進(jìn)行8000km可靠性試驗(yàn)，當(dāng)車輛在強(qiáng)化路面上行駛至3895Km時(shí)，發(fā)現(xiàn)該載貨試驗(yàn)車前減震器支架與車架固定螺栓孔處開裂，車架開裂處為車輛前減震器支架與車架固定螺栓孔處。建議將原來的單層鋼板改為局部增加加固板。試驗(yàn)車輛整車總質(zhì)量為4.5噸，強(qiáng)化路面路況較差，強(qiáng)化系數(shù)為15。

車架開裂處結(jié)構(gòu)

減震器支架是一個(gè)鑄件結(jié)構(gòu)，其與縱梁連接部分尺寸為90mm*90mm。此處縱梁為5mm的單層鋼板。減震器支架與縱梁是通過4個(gè)M10的螺栓聯(lián)結(jié)的，聯(lián)結(jié)孔距分別為腹面60mm、車架上翼面60mm。

修改前后強(qiáng)度分析

修改前后車架強(qiáng)度分析

基于鑄件剛度過大而縱梁局部剛度相對(duì)較小現(xiàn)狀，可增強(qiáng)縱梁局部剛度，減少了由于剛度差異較大引起的應(yīng)力集中，改動(dòng)相對(duì)較為容易。通過可行性分析，決定增加縱梁加固板的方式提高車架此處強(qiáng)度。

在開裂車架的減震器支架連接處，于車架內(nèi)側(cè)增加厚度為4mm的加強(qiáng)板，由此導(dǎo)致整個(gè)車架的應(yīng)力分布發(fā)生變化，建立有限元模型與開裂車架進(jìn)行對(duì)比分析。

從對(duì)比分析結(jié)果可知，局部加固板與原車架*大應(yīng)力均為244MPa左右，應(yīng)力分布一致，即改進(jìn)后的車架對(duì)車架整體應(yīng)力分布基本沒有影響。

然而，采用局部加固板車架處于前減震器支架處的車架應(yīng)力有所降低，有必要對(duì)局部加強(qiáng)處的應(yīng)力分布和數(shù)值進(jìn)行分析。

修改前后開裂處車架強(qiáng)度局部分析

從減震器支架處的局部分析圖可看出，開裂車架的*大應(yīng)力為180.5MPa，出現(xiàn)在縱梁與減震器連接處。同時(shí)，從應(yīng)力云圖可以看出，開裂處應(yīng)力集中非常明顯，這與開裂位置基本一致；采用局部加固板的車架應(yīng)力減小為137MPa，下降了24%。

應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方案

有限元分析顯示，在前減震器支架處增加局部加固板理論上可以取得顯著效果。考慮到CAE是一種近似數(shù)值分析方法，有必要對(duì)修改前后車架的實(shí)際應(yīng)力分布及數(shù)值大小進(jìn)行道路應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試，尤其是前減震器支架處車架應(yīng)力情況。

應(yīng)力測(cè)試設(shè)備

本測(cè)試采用32通道高速靜態(tài)應(yīng)變儀，*高采樣速度1200點(diǎn)/秒；箔式電阻應(yīng)變片，阻值120Ω，靈敏度系數(shù)2.0；連接導(dǎo)線為超六類屏蔽雙絞線，裸銅線徑0.51mm，單根導(dǎo)線長6m。

測(cè)試工況

通過選取車輛進(jìn)行道路可靠性試驗(yàn)的工況作為本次應(yīng)力測(cè)試的實(shí)驗(yàn)工況，即車輛在某試驗(yàn)場強(qiáng)化路各路面按可靠性試驗(yàn)要求行駛。試驗(yàn)場強(qiáng)化路面包括：窨井群、瀝青路、減速坎、鐵道路口、病害路、仿路沿突起、仿路沿坑洼、石塊路、卵石路、魚鱗坑路、搓衣板路、扭曲路、砂土路。

應(yīng)力測(cè)試方法

本測(cè)試在車架取20個(gè)關(guān)鍵部位貼應(yīng)變片，所有測(cè)點(diǎn)均采用1/4橋連接；所有部位應(yīng)變片均采用單向片。車輛通過強(qiáng)化路每種路面時(shí)，即實(shí)時(shí)對(duì)所有應(yīng)變片位置處車架應(yīng)變完成測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果

通過應(yīng)變測(cè)試及胡克定律公式，可以得出車架應(yīng)變片粘貼部位的實(shí)際應(yīng)力分布情況，由于測(cè)量點(diǎn)較多，現(xiàn)在重點(diǎn)列舉前后懸架、減震器主要受力點(diǎn)的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果。

試驗(yàn)測(cè)試與有限元分析應(yīng)力結(jié)果

根據(jù)上表測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，車架增加局部加固板后，減震器支架與車架連接開裂處（通道19和20）應(yīng)力由194.89MPa下降至142.73MPa，應(yīng)力下降幅度為31%，車架可靠性明顯提高。

車架增加局部加固板后，車架重點(diǎn)受力部位應(yīng)力分布較為均勻，除開裂處較修改前應(yīng)力有明顯變化，其余部位均變化不大，表明增加加固板對(duì)車架整體應(yīng)力分布沒有影響。

由于模型的簡化及實(shí)際道路工況的復(fù)雜性，車架修改前后有限元分析結(jié)果與應(yīng)力測(cè)試結(jié)果存在偏差。有限元分析結(jié)果稍微小于應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，但是整體趨勢(shì)相同。

同時(shí)為了檢驗(yàn)修改效果，在后續(xù)的4000Km強(qiáng)化路面試驗(yàn)中每天進(jìn)行質(zhì)量跟蹤，該處縱梁以及加固板未出現(xiàn)新的裂紋，原有裂紋也沒有繼續(xù)擴(kuò)大，說明修改措施有效。

結(jié)論

以上是車架修改前后強(qiáng)度分析和應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果顯示，強(qiáng)度分析和測(cè)試試驗(yàn)的應(yīng)力數(shù)值有些偏差，但應(yīng)力分布趨勢(shì)基本一致。同時(shí)，結(jié)構(gòu)修改后的強(qiáng)度優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，由此證明了仿真分析加物理測(cè)試是有效的產(chǎn)品開發(fā)及優(yōu)化手段。