载货车辆车架强度分析和应力测试试验

某厂家生产的载货车辆行驶中，车架局部发生开裂现象。为了修改优化车架，对车架局部开裂处分别进行了修改前后的强度对比分析和应力测试试验。分析研究修改前后车架应力分布情况，验证优化方案的可行性。

车架开裂位置及结构

车架开裂位置

某型号载货试验车辆在试验场进行8000km可靠性试验，当车辆在强化路面上行驶至3895Km时，发现该载货试验车前减震器支架与车架固定螺栓孔处开裂，车架开裂处为车辆前减震器支架与车架固定螺栓孔处。建议将原来的单层钢板改为局部增加加固板。试验车辆整车总质量为4.5吨，强化路面路况较差，强化系数为15。

车架开裂处结构

减震器支架是一个铸件结构，其与纵梁连接部分尺寸为90mm*90mm。此处纵梁为5mm的单层钢板。减震器支架与纵梁是通过4个M10的螺栓联结的，联结孔距分别为腹面60mm、车架上翼面60mm。

修改前后强度分析

修改前后车架强度分析

基于铸件刚度过大而纵梁局部刚度相对较小现状，可增强纵梁局部刚度，减少了由于刚度差异较大引起的应力集中，改动相对较为容易。通过可行性分析，决定增加纵梁加固板的方式提高车架此处强度。

在开裂车架的减震器支架连接处，于车架内侧增加厚度为4mm的加强板，由此导致整个车架的应力分布发生变化，建立有限元模型与开裂车架进行对比分析。

从对比分析结果可知，局部加固板与原车架最大应力均为244MPa左右，应力分布一致，即改进后的车架对车架整体应力分布基本没有影响。

然而，采用局部加固板车架处于前减震器支架处的车架应力有所降低，有必要对局部加强处的应力分布和数值进行分析。

修改前后开裂处车架强度局部分析

从减震器支架处的局部分析图可看出，开裂车架的最大应力为180.5MPa，出现在纵梁与减震器连接处。同时，从应力云图可以看出，开裂处应力集中非常明显，这与开裂位置基本一致；采用局部加固板的车架应力减小为137MPa，下降了24%。

应力应变测试方案

有限元分析显示，在前减震器支架处增加局部加固板理论上可以取得显著效果。考虑到CAE是一种近似数值分析方法，有必要对修改前后车架的实际应力分布及数值大小进行道路应力应变测试，尤其是前减震器支架处车架应力情况。

应力测试设备

本测试采用32通道高速静态应变仪，最高采样速度1200点/秒；箔式电阻应变片，阻值120Ω，灵敏度系数2.0；连接导线为超六类屏蔽双绞线，裸铜线径0.51mm，单根导线长6m。

测试工况

通过选取车辆进行道路可靠性试验的工况作为本次应力测试的实验工况，即车辆在某试验场强化路各路面按可靠性试验要求行驶。试验场强化路面包括：窨井群、沥青路、减速坎、铁道路口、病害路、仿路沿突起、仿路沿坑洼、石块路、卵石路、鱼鳞坑路、搓衣板路、扭曲路、砂土路。

应力测试方法

本测试在车架取20个关键部位贴应变片，所有测点均采用1/4桥连接；所有部位应变片均采用单向片。车辆通过强化路每种路面时，即实时对所有应变片位置处车架应变完成测试。

测试结果

通过应变测试及胡克定律公式，可以得出车架应变片粘贴部位的实际应力分布情况，由于测量点较多，现在重点列举前后悬架、减震器主要受力点的应变测试结果。

试验测试与有限元分析应力结果

根据上表测试数据结果显示，车架增加局部加固板后，减震器支架与车架连接开裂处（通道19和20）应力由194.89MPa下降至142.73MPa，应力下降幅度为31%，车架可靠性明显提高。

车架增加局部加固板后，车架重点受力部位应力分布较为均匀，除开裂处较修改前应力有明显变化，其余部位均变化不大，表明增加加固板对车架整体应力分布没有影响。

由于模型的简化及实际道路工况的复杂性，车架修改前后有限元分析结果与应力测试结果存在偏差。有限元分析结果稍微小于应力测试结果，但是整体趋势相同。

同时为了检验修改效果，在后续的4000Km强化路面试验中每天进行质量跟踪，该处纵梁以及加固板未出现新的裂纹，原有裂纹也没有继续扩大，说明修改措施有效。

结论

以上是车架修改前后强度分析和应力应变检测试验，结果显示，强度分析和测试试验的应力数值有些偏差，但应力分布趋势基本一致。同时，结构修改后的强度优于原结构，由此证明了仿真分析加物理测试是有效的产品开发及优化手段。