载运工具运用工程牵引车车架疲劳特性研究

国内图书分类号： U463.1 国际图书分类号： 硕 士 学 位 论 文牵引车车架疲劳特性研究硕 士 研 究 生： 刘祥斌 导 师 姓 名 ： 宋年秀 教授 申请学位级别： 工学硕士 学 科 、 专 业： 载运工具运用工程 所 在 单 位 ： 汽车与交通学院 答 辩 日 期 ： 2013 年 12 月 学位授予单位： 青岛理工大学 Classified Index： U463.1 U.D.C： Dissertation for the Master Degree in EngineeringSTUDY ON THE TRACTOR FRAME FATIGUE CHARACTERISTIC Candidate: Liu Xiangbin Advisor: Prof.Song NianxiuAcademic Degree Applied for: Master of EngineeringSpecialty: Mechanical EngineeringDate of Oral Examination: December 2013University: Qingdao Technological University硕 士 学 位 论 文牵引车车架疲劳特性研究学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 青 岛 理 工 大 学 学 位 论 文 独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得青岛理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名： 日 期： 青 岛 理 工 大 学 学 位 论 文 使 用 授 权 声 明青岛理工大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、CDMD 和 DMD 有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权青岛理工大学研究生处办理。研究生签名： 导师签名： 日 期： 青 岛 理 工 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文I目 录摘 要 .IAbstract .II第 1 章 绪论 .11.1 课题来源及研究目的意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 本文主要研究内容 .2第 2 章 基于板壳单元车架有限元模型的建立 .42.1 车架结构的基本参数 .42.2 车架几何模型的建立与有限元模型的简化 .42.3 有限元基本理论 .52.3.1 有限元基本思想 .52.3.2 单元类型的选择 .72.4 车架有限元模型的建立 .92.4.1 网格划分 .92.4.2 载荷的确定 .122.4.3 边界条件的建立 .122.5 本章小结 .14第 3 章 车架的静态强度分析 .153.1 引言 .153.2 车架不同载荷加载 .153.3 静力工况分析 .183.3.1 满载纯弯曲工况 .183.3.2 满载扭转工况 .183.4 车架静强度结果分析 .193.5 车架有限元模型验证 .203.5.1 试验目的 .203.5.2 试验设备 .203.5.3 试验方法 .203.5.4 试验结果与有限元静强度计算结果对比分析 .203.6 本章小结 .21第 4 章 车架的模态和模态频响分析 .224.1 车架的模态分析 .224.1.1 模态分析基本理论 .224.1.2 模态分析的边界条件 .254.1.3 车架模态分析模型修正 .254.2 车架结构模态计算及结果分析 .264.2.1 车架结构模态分析过程 .264.2.2 模态结果分析 .284.3 车架模态频率响应特性分析 .294.3.1 直接频率响应法 .304.3.2 模态频率响应法 .304.3.3 频率响应结果分析 .31青 岛 理 工 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文II4.4 本章小结 .32第 5 章 路面不平度影响下车架动载荷的仿真 .335.1 路面不平度 .335.1.1 路面不平度函数 .335.1.2 路面不平度功率谱密度 .335.1.3 空间频率功率谱密度 qGn与时间频率功率谱密度 qGf的转化 365.2 路面不平度的模拟 .375.3 车架动载荷的动力学仿真 .405.3.1 牵引车振动模型的简化 .405.3.2 振动模型建模 .415.3.3 动态外载荷仿真结果 .425.4 本章小结 .44第 6 章 基于频域的车架疲劳寿命分析 .456.1 疲劳分析方法与步骤 .456.1.1 疲劳分析方法 .456.1.2 疲劳分析基本步骤 .466.2 疲劳分析基本理论 .476.2.1 疲劳累积损伤理论 .476.2.2 应力-寿命(S-N) 曲线 .526.2.3 疲劳寿命估算方法 .536.3 载荷的处理 .566.3.1 载荷谱 .566.3.2 雨流计数法 .576.4 疲劳分析软件 MSC.Fatigue 简介 .596.4.1 MSC.Fatigue 软件主要特点 .596.4.2 MSC.Fatigue 软件主要功能 .596.5 车架疲劳寿命分析 .606.5.1 车架材料 S-N 曲线选取 .606.5.2 车架疲劳寿命及结果分析 .616.6 本章小结 .63第 7 章 结论与展望 .647.1 结论 .647.2 展望 .64参考文献 .66攻读硕士期间发表的学术论文及科研工作 .69致谢 .70青 岛 理 工 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文I摘 要论文以某半挂牵引车车架为研究对象，利用有限元分析技术对此车架的疲劳特性进行了分析，并且预估了车架的疲劳寿命。论文首先建立了车架的三维模型，通过对三维模型进行网格划分和边界条件处理，建立了车架的有限元模型，并进行了静力学分析及试验分析，验证车架有限元模型的合理性；其次，对车架进行了模态分析和模态频率响应分析，得出了车架的固有频率和频率响应函数。根据牵引车行驶的路面情况，利用多体动力学软件ADAMS 仿真出了车架的动态外载荷。根据车架材料特性，确定了车架疲劳分析的S-N曲线；最后根据车架材料的S-N曲线、动态外载荷及频率响应函数，利用疲劳分析软件MSC.Fatigue 建立了车架的疲劳分析模型，并预测了车架的疲劳寿命，根据车架的疲劳寿命及危险部位，提出了初步的优化措施，为进一步研究车架的疲劳特性和提高车架的使用寿命提供了依据。关键词：半挂牵引车车架；有限元；频率响应特性；动态外载荷；疲劳特性青 岛 理 工 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文IIAbstractIn the paper,a semi-trailer frame is as the research object, the frame fatigue characteristics were analyzed by using the finite element analysis techniques.Firstly,the paper established a 3D model of the frame, established the FEM model through meshing the 3D model and setting the boundary conditions，and the analysis about static strength was carried out on this model.The paper verified the reasonableness of the frame model based on the FEM and the test. Secondly, The paper studies on modal analysis and frequency response of the frame, obtaining the natural frequency and the frame frequency response function. According to tractor driving road conditions，The paper using multi-body dynamics simulation software ADAMS carried out the frame dynamic external load emulation According to the frame material properties, determined the S-N curve which was used in the fatigue analysis.Finally, according to the S-N curve, the frame material dynamic load and frequency response function, established the frame fatigue analysis model by using the fatigue analysis software MSC.Fatigue,and predicted the fatigue life of the frame. According to the fatigue life and dangerous parts of the frame, the preliminary optimization measures were put forward , providing the basis for the further study of the frame fatigue characteristics and improving the life of the frame.Keywords: Semi-Trailer Frame；FEM；Frequency Response Characteristic；Dynamic Load ；Fatigue Characteristic青 岛 理 工 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文1第 1 章 绪论1.1 课题来源及研究目的意义在交通运输行业中，牵引车的使用非常广泛，在长途运输中起到的作用尤其突出，所以牵引车在整个社会经济的发展中起着举足轻重的作用。牵引车车架作为各零部件的装配机体，其可靠性关系到整车的使用寿命。牵引车的使用环境和所处的工况比较恶劣，尤其是现在的重型车都存在着超载比较严重的问题，对车架的破坏程度远远大于其设计的使用寿命。所以，加强牵引车车架的可靠性非常关键。目前，国内对于牵引车车架的研究大部分只是集中在对车架进行有限元分析，更多的是静态特性的研究，而对于在行驶过程中，车架受载情况和动态特性的研究比较少，因此关于车架疲劳寿命的研究也是很少的，但是现在交通运输业发展越来越迅速，牵引车承担着重要的作用，在实际的运输过程中，经常会出现车架的变形断裂等现象，导致交通事故的发生，不仅造成了人身和财产上的损失，同时也导致了对这个社会的不良影响。因此，研究牵引车车架的可靠性能具有十分重要的实际意义，可以为牵引车车架的结构设计和改进提供参考依据。牵引车车架在行驶过程中，由于各种不同载荷的作用，车架经常发生变形和断裂，本文以某半挂牵引车车架为对象，对其进行疲劳特性研究分析，预估车架的疲劳寿命，为实际生产提供一定的参考依据。1.2 国内外研究现状疲劳现象发现已经有很长的历史了，随着科学工作者及工程专家的不断研究，已经形成了比较完善的疲劳分析理论，主要包括名义应力法、损伤力学法。局部应力法等疲劳分析方法，虽然疲劳分析理论比较成熟，但是人们对于疲劳的研究仍然没有间断，所以疲劳在实际的应用中得到了更快的发展和变化。世界许多著名的企业都在疲劳方面一直进行深入的研究，尤其体现在航天航空和汽车企业中。德国的柏林工业大学航空研究所和瑞典皇家技术学院等技青 岛 理 工 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文2术人员利用有限元，借助计算机辅助，通过多体动力学研究了货运机车机架的疲劳寿命 1。在对其进行研究的过程中，通过多体动力学得到了车架所受的动态外载荷，根据动态外载荷可以获得载荷的应力谱，最后根据疲劳分析理论，结合仿真得到的结果获取结构疲劳寿命。这是国外比较早的也是比较典型的疲劳分析应用 2。在国内，很多的企业、高等院校都对疲劳进行研究，创新和具体的试验，在很多领域中疲劳得到了高度的重视，同时也取得了丰硕的成果。在国内的汽车领域中，对于疲劳的分析运用到了很多方面，例如，南京理工大学的李守成和韩鲁明等人，以半挂车车架为研究对象，对车架的疲劳寿命进行了全面的分析和预测，其中主要进行的工作包括对车架的静态强度校核，模态分析频响特性分析，动态外载的获取，以及运用S-N曲线、频响函数、动态外载建立疲劳分析模型，预估其寿命，并找到疲劳危险点，提出初步的优化措施。比较典型的疲劳分析应用还有朱才朝、张伟敏、乔莉和李旭东等人对摩托车车架的疲劳分析，主要是通过有限元模拟的方法和实际疲劳试验机试验的方法，进行比较，得出了有限元分析方法模拟疲劳分析的可靠程度，对其他结构通过有限元模拟方法预测疲劳寿命提供了依据 3。同样是南京理工大学，李英舜、李守成和章蕾等人对半挂车的车桥进行了疲劳分