轻卡车架设计 轻型卡车货车车架设计(含CAD图纸、CATIA三维模型、说明书)
重型卡车车架纵梁复合型裂纹扩展失效分析摘要:对疲劳试验后所获得的断裂的重型载货卡车车架纵梁进行了失效分析研究。观察到的断裂发生在转矩杆连接到车辆的后驱动桥内的车架上。这一部分的车架经历了多轴加载条件,在道路载荷下包括平面外弯曲,扭转和剪切作用。金相检验发现在高应力集中区的开孔边缘存在微裂纹。这种制造缺陷造成应力集中,导致疲劳裂纹萌生。通过对一个整车模型上加载动载荷,完成了在车架纵梁上的裂纹扩展的模拟,经过分析后得出结论,发生故障的原因是由于在车架高应力位置钻孔时产生小裂纹萌生,这导致了在车辆动载荷下产生大量的曲线裂纹扩展。关键词:疲劳 车架纵梁失效 模拟裂纹扩展 断裂 有限元分析1 介绍重型卡车车架的失效通常包括I/II/III 复合模式下的裂纹扩展,因为车辆荷载是高度非线性的,多轴向的大变形行为。这与许多文献报道的复合型裂纹扩展问题相似 1-9 。车架构件处裂纹的扩展是重要的研究,因为在达到临界裂纹长度时可能会导致车辆的完全失效,这可能会导致灾难性的交通事故和生命的损失。虽然目前对车辆进行日常检查,以检测和维修/更换疲劳裂纹组件,但是能够在不同的负载条件下更好地预测裂纹路径和方向的能力,可以帮助避免昂贵的损失和改善设计使之具有更好的耐久性。在本工作中,对车架纵梁处裂纹进行了失效分析。通过仔细的宏观和微观观察,发现引起裂纹的主要原因是由于钻孔位置接近已有的螺栓孔。钻孔过程中在车架内部高应力的位置产生小裂纹萌生。FRANC3D裂纹扩展仿真工具结合NASTRAN有限元解算器用于在完整的车辆动载荷作用下模拟仿真车架裂纹的扩展。获得的仿真结果与物理裂纹路径和疲劳破环循环具有良好的相关性。2 实验程序根据操作类的车辆选择使用不同的测试活动。图1提供了一些用于整车验证的疲劳试验示意图。疲劳试验是在不同速度、不同车辆总重量(GVWR)下进行的。这些测试提供了不同的车辆模块和子系统之间的动态相互作用,实现了动态干扰和间隙检查。试验车辆上安装应变计、压力传感器和加速计来计测量在试验过程中车辆的响应。试验的数据(应变,位移和加速度变化过程)是用来验证新的设计以及改进数值模型的开发。在测试过程中所获得的损坏将被用来衡量重复周期以估计疲劳破坏循环。在不同的车辆零部件上获得加速损坏和磨损,然后随着设计的改变将,检查和研究这些损坏。3 实验结果3.1 外观检查在整车疲劳试验重复过程中,每隔几个试验循环后进行检查,在某些测试循环后,在对车辆的后驱动桥与转矩杆的连接附近检查时,发现了车架疲劳裂纹。图2(a)显示车辆的布局和在车辆上失效的区域。在图2(b)中,显示的是扭力杆支架通过加强板连接到车架的内部。在加强板后部扭力杆支架的两侧处的车架上有明显的裂纹扩展。在图2(c)中,加强板通过螺栓连接车架的内部与外部部分,拆除加强板以查看裂纹路径。图片显示了在一个已存在螺栓孔附近的开孔,裂缝就是来自这个位置。图3(a)显示了完整的失效区域,该区域包括在加强板后面,裂纹沿着一个曲线路径形成;以及在开孔处存在多个裂纹起源。观察发现有2个开孔靠近螺栓孔,在安装加强板的试验时没有实现开孔的存在。中间的开孔似乎并没有影响裂纹扩展,并观察到它存在于低应力区。图3(b)是对裂纹面更近距离的观察,可以看出主要和次要的失效起源。在图3(b)中,科辨认出贝壳状纹理,这表明为疲劳破坏机理。3.2 扫描电镜观察图4显示了主裂纹断裂开始起源于螺栓孔边缘以及次生裂纹起源于邻近螺栓孔车架的内表面。在图5(a)中,低倍扫描电镜图像显示的贝壳状纹理(红色虚线)表示的疲劳裂纹扩展机理。图5(b)显示在高倍放大光学显微图像下,由于钻孔导致在螺栓孔壁处产生裂纹。利用光学发射光谱仪(OES)对车架截面进行化学分析。车架截面的化学成分与试验要求相一致。车架截面的基材硬度为32HRC洛氏硬度,对于调制过的低碳钢,锰钢,硼钢来说,这在合理的硬度范围。图1 整车疲劳测试图2 (a)整车布局及失效位置;(b)扭力杆连接附近可见的车架裂缝;(c)在外加 固板后的车架上可见的裂纹路径图3 (a)车架截面上的裂纹扩展方向;(b)分析失效的根源图4 内外表面裂纹成因图5 (a)扫描电镜图像显示贝壳状纹理;(b)光学显微镜显示开孔壁上的裂纹4 仿真结果图6(a)所示在子模型上,模拟疲劳和裂纹扩展的界面应力。在整车模型的子模型边界上定义网格点,表面应力施加到所有网格点上。对整车模型进行多轴试验,通过瞬态分析获得载荷。图6(b)显示了在多轴载荷下的位移图,表示车架的扭转和弯曲情况。图7(a)显示了整车动态载荷下车架的冯米塞斯图。通过物理试验,开孔及裂纹路径附近的应力超过材料屈服强度。对测试项目的负载循环进行疲劳分析,得到的破坏度为“1.1”,而验收标准是“0.5”。图7(b)显示FRANC3D网状模型与一个小的半椭圆裂纹(0.5毫米)插入开孔的边缘,且位于高应力集中区。这种表面裂纹在钻孔过程中,插入的初始裂纹大小在载荷循环之后,将增长到那个尺寸,所以从钻孔处开始的裂纹扩展是首要关注的。图6 (a)车架截面多轴向加载;(b)多轴载荷下的位移图图7 (a)在车架上得到的米塞斯的压力曲线;(b)初始裂纹位置FRANC3D模型图8 裂纹生长过程显示裂纹在车架上的扩展在图8中,裂纹扩展的过程表明,在用FRANC3D模拟裂纹生长及利用Nastran进行有限元分析之后,每一过程都需要计算应力强度因子(SIF)。用于裂纹扩展模拟的载荷,来源于整车响应动态加载,选择持续振幅疲劳模拟三维裂纹扩展。利用应变能释放率法确定了裂纹角。著名的“帕里斯公式”是用于疲劳增长率模型,帕里斯公式的回归系数可从车架供应商处获得 10 。用交互积分(M-积分)方法计算应力强度因子(SIF),包括裂纹面接触和裂缝压力的影响。5 讨论基于外观检查和金相检验证实,车架纵梁上的曲线裂纹扩展是疲劳失效,裂纹开裂是由于在车架上质量不高的钻孔。复合型的应力强度因子会影响裂纹路径。仿真结果被用来了解故障的根本原因,也可以用作建议对设计进行修改,以防止在重型卡车车架上发生如此广泛的疲劳破坏。损坏的负载主要是车辆来回转向,这导致在后驱动桥轴扭力杆挤压扭力杆支架到车架截面,造成如图9(a)所示的平面外弯曲。平面外弯曲负载会导致车架外表面上所有裂纹的开裂,裂纹扩展行为以第一模式生长。图9(b)显示在平面外弯曲负载下,过程17时车架上裂纹的开裂(按比例放大10倍)。图9 (a)在转弯时车架的平面外弯曲;(b)在弯曲负载下车架裂纹开裂图10显示了物理试验和基于整车响应的三维裂纹扩展模拟结果裂纹路径的比较。可以看出,复合作用下,曲线裂纹路径模拟与物理试验结果吻合良好。在模拟结果中,观察到的主要裂纹路径伴随在高应力区,在模拟过程中没有考虑次要裂纹路径。车架上开孔的初始位置靠近螺栓孔(高应力区),这个敏感性研究的目的是确定改变开孔位置的影响,远离开孔初始位置,以确定与高应力区保持一定位置能否防止疲劳失效。在图11中,显示了敏感性研究进行设计迭代的说明。车架开孔是沿“x”方向多增量,且开孔附近的应力分布是已知的。需要注意的是,车架孔通常用液压和电线开在安装架上。基于安全寿命和断裂力学的观点,这项研究有助于确定不可钻孔区域。图10 物理试验的车架裂纹和与3D裂纹扩展程序的模拟仿真的对比图11 车架的开孔位置沿“X”方向的敏感性研究图12(a)安全寿命法;(b)损伤容限法对敏感性研究的结果车架的疲劳强度(周期为106)是240310 ,对应的应力为478 MPa。基于应力的设计,发现允许开孔的位置是距离初始位置45处,如图12(a)所示。然而,断裂力学的方法是确保车架孔的可靠位置。6 结论基于实验结果和仿真结果,可以得出结论,开孔会在车架的高应力区造成小裂纹开裂,这导致在车辆动荷载作用下产生大量的曲线裂纹增长。FRANC3D裂纹扩展工具结合NASTRAN有限元求解器得到的裂纹路径与物理测试失效相一致,并且得到了疲劳破坏循环周期。敏感性研究是为了确定在安全区域进行开孔,这将有助于在车架上指定开孔位置。本工作提供了有效的方法,适用于重型载货卡车车架纵梁的裂纹故障分析,这也可能适用于其他工程失效分析问题。致谢这里介绍的研究部分在美国北卡罗来纳州格林斯伯勒地区沃尔沃北美集团底盘车辆动力学和先进的工程计算组(CVDE)部门进行,作者要感谢流程优化公司奥马尔易卜拉欣博士对这项研究提供FRANC3D程序的支持和许可。本文出自www.sciencedirect.com网站。
收藏
编号:10953421
类型:共享资源
大小:12.87MB
格式:ZIP
上传时间:2020-04-16
40
积分
- 关 键 词:
-
轻卡车架设计
轻型卡车货车车架设计(含CAD图纸、CATIA三维模型、说明书)
卡车
架设
轻型
货车
车架
设计
cad
图纸
catia
三维
模型
说明书
仿单
- 资源描述:
-
展开阅读全文
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 装配图网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
装配图网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。