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基于载荷谱的矿用自卸车驱动桥壳体失效分析
摘要：矿用自卸车的关键部件之一是驱动桥壳体，在正常使用过程中这一部件的失效是不能接受的。最近，在这些机器的正常工作过程中，过早的疲劳损坏成为了一个问题。然而，基于台架测试或者单纯的电脑仿真模拟，由于实际路况（比如坡度和粗糙度）和简化的边界条件的差异，很难准确的测出驱动桥壳的疲劳寿命。为提高分析结果的可靠性，本文提出了一种基于实际矿山路面状况的动态应变测量与有限元分析相结合的分析方法。驱动桥壳体上的动态应变和应力是卡车在正常矿山路面条件下行驶时通过应变测量获得的，使用雨流计数法分析动态应力，可以确定计数周期的振幅和平均值。Morrow模型考虑了应力平均值的影响。根据线性Palmgren-Miner损伤积累假设和使用材料典型疲劳特性的假设，计算疲劳失效寿命。测量结果分析表明，驱动桥壳所受到的动态应力远远大于预期。为了找出影响驱动桥壳动应力的因素，采用有限元方法分析了路面的坡度，任何不均匀的载荷和偏心率。本文表明，所描述的新分析方法是分析这些卡车驱动桥壳失效原因的有效工具。
关键词：矿用自卸车；驱动桥壳；故障分析；加载频谱
简介
驱动桥壳是车辆的主要承载部件。因此，由路面粗糙度引起的动力会产生动态应力，这些力可能导致车辆在使用寿命期间疲劳失效[1]。尽管驱动桥壳通常设计有高安全系数（安全系数），以便不超过材料的疲劳强度，但当疲劳强度超过平均载荷值时，大量和高幅度的循环载荷和局部应力集中会导致裂纹增长。
在轴箱疲劳失效的分析和预测上，已经有了大量的研究工作发表[1-7]，Bradley and Bradley[2]使用断裂力学和三种典型工况条件下的实验测试分析了起重车后桥壳体的失效。他们使用宏观断层扫描检查发现，失效是因为疲劳。他们将理论断裂力学与实验数据结合起来计算裂纹扩展寿命和尺寸。Baggerly [3]用扫描电子显微镜分析了焊接在重型卡车车轴上的铸钢件的失效情况。发现在铸件的HAZ中形成了欠缺的裂纹。这些裂纹随后通过疲劳机制传播并导致铸件从桥壳脱离。Topac等人[1]使用有限元分析和台架试验预测了后桥壳体原型的疲劳失效。他们根据结果提出了一些设计增强解决方案。Wu等人[4]开发了一种基于大直径滚轮的多功能室内驱动桥道路模拟系统。该方法使用滚轮表面上的一系列凸块来模拟裂纹路面的冲击振动。Jing et al[5,6]基于有限元分析和测试预测了车桥轴承在随机载荷下的疲劳寿命。但是，台架测试和有限元分析都是静态分析。虽然他们完成了动态分析，但加载条件是使用SIMPACK进行多体仿真获得的。Nan等人[7]提出了一种新的方法来获取减小的载荷谱，他们用它来对驱动桥壳进行加速疲劳试验。他们通过有限元法完成了静力强度分析后的疲劳寿命预测，应变历史采集和时间相关损伤分析。使用有限元模拟获得了桥壳加速疲劳试验台的减小载荷谱。
大多数关于驱动桥壳体疲劳失效的研究仅限于台式测试[4-7]，静态强度分析[5-7]，扫描电子显微镜图像分析[3]或基于模拟的动态分析[1,5,6]。尽管一些研究考虑了典型服务条件的影响[2]，但这些并不是典型的正常服务条件。因此有必要考虑驱动桥壳体疲劳失效分析的实际使用条件。
本文重点研究了一种基于实际矿山路面状况的动态应变测量与有限元分析相结合的矿用自卸车驱动桥壳故障分析方法。故障类型是通过断面分析确定的。在这种情况下驱动桥壳体的疲劳寿命是基于通过在实际矿山路面剖面上的测试所测量的动态应力以及使用线性Palmgren-Miner损伤累积假设的假设来预测的。使用的材料有正常疲劳特性。使用基于有限元的方法研究了壳体失效的原因。
驱动桥壳的失效描述
作为矿用自卸车的主要承载构件，驱动桥壳承载矿山道路引起的应力。在卡车使用寿命期间，这些动态力可能导致轴套疲劳失效。实际上，如图1所示，驱动桥壳体中的断裂位置起源于班氏过渡区R1或R2。断裂面的一个例子如图2所示。图2显示初始裂纹始于班卓过渡地区的底部圆角。裂缝区有断裂痕迹，渐进裂缝已传播到横截面的大约一半。这些观察结果表明疲劳失效可以被认为是一个高周期，低应力的类型[9]。因此，目前疲劳断裂的断裂面常见于具有起始点的低速带滩痕和高速断裂区[8]。
载荷谱的测量及其结果
实验设计
采用自卸卡车进行应变测量。满载卡车的总重量为62吨。数据采集系统包括应变仪和Dewetron数据采集器。通过使用安装在桥壳底部的测量点1和测量点2处的应变仪来测量应变，以测量横向方向的应变，如图3所示。实际的矿山路面用于该实验，如图4实验过程分为两部分。在这两部分中，矿用自卸车在同一矿山路面上进行了测量，以获得完整的使用条件，包括卸载，装载，满载和卸载。采样频率为2000 Hz。卡车的速度约为5公里/小时。
实验结果
桥壳的应变用多通道数字应变计记录下来，如图5所示。通过使用动态应变值和胡克定律获得动态应力。动态应力如图6所示，这被称为桥壳的载荷谱。
图6a显示测试程序可分为四个阶段。第一阶段是空载阶段，从0秒开始持续1500秒。 在此期间最大应力为138.9 MPa。第二阶段是装载阶段，从1500秒开始，持续300秒。在此期间最大应力为122.7 MPa。第三阶段是满负荷阶段，从1800秒开始持续1260秒。在此期间最大应力为393.7 MPa。第四阶段是卸载期，始于3060s，持续540s。在此期间最大应力为162.7 MPa。
图6b还显示测试程序可以分为四个阶段。第一阶段又是空载阶段，从0 s开始，持续1800 s，最大应力为162.7 MPa。第二阶段是装载阶段，开始于1800s，持续420s，最大应力为232.8MPa。第三阶段为满载阶段，始于2220 s，持续1140 s，最大应力375.5 MPa。第四阶段为卸载阶段，始于3360 s，持续640 s，最大应力为183.8 MPa。
疲劳寿命预测
基于线性Palmgren-Miner损伤累积假设和桥壳材料的疲劳特性假设，根据实际矿山路面条件下的动应力计算壳体的疲劳失效寿命。
雨流计数
利用雨流计数法分析实际矿山路面条件下由应变测量计算得到的动应力[11]，该应力可用于确定计数周期的振幅和平均值。由桥壳上的测量确定的应力历史的雨流矩阵如图7所示。
疲劳寿命预测
使用Miner理论，每个周期或半周期的损伤Di的特定值被定义为[11]。
其中i=1,...,k, (1)
其中对于一个周期等于1并且对于半周期等于0.5，是从单轴疲劳特性计算出的材料失效周期数，k是从历史使用一个计数算法周期确定的周期数和半周期数。当考虑平均值时，可以使用莫罗应力寿命特性来计算疲劳失效寿命[11,12]
， (2)
因此
， (3)
其中是由使用雨流算法的外壳上的应力历史确定的周期振幅，是由使用雨流算法的外壳的应力历史确定的周期平均值，是疲劳强度系数，b是疲劳强度指数。根据Palmgen-Miner假说，总损害可以表示为不同个体周期所造成的所有特定损害的总和。
， (4)
其中k是使用循环计数算法根据应力历史确定的周期数。然后，可以根据在应力历史的时间间隔中的每个不同周期引起的累积损伤D来计算壳体的预期疲劳寿命T.
. (5)
假设壳体的疲劳特性由应力寿命关系和Morrow特征的材料常数来描述[11]。根据轴箱的材料特性，疲劳强度系数等于450MPa，疲劳强度指数等于0.14。根据莫罗应力寿命特性和疲劳损伤累积假设计算壳体的疲劳寿命。
根据疲劳预测结果，点1的疲劳寿命等于95天，点2等于135天。这些都低于采矿翻斗车桥壳的预期疲劳寿命。然而，从疲劳预测获得的结果与实际的失效时间相一致。
桥壳压力等级影响因素的评估
通过对测量结果的分析发现，动态应力值远远大于预期。 为了找出影响桥壳动态应力的因素，建立了有限元模型。
有限元模型
如图8所示，为有限元分析准备了壳体的CAD模型。这里，支撑A和B代表每个轮子提供的支撑。半轴和桥壳之间的组件是过盈配合。元素C和D代表弹簧座。
用于应力分析的完整模型如图9所示。该模型由桥壳和半轴组成。有限元模型使用ANSYS V11.0开发。使用SOLID185对壳体进行网格化，这是一种八节点四面体实体单元，每个节点有三个自由度，通常用于实体结构的三维建模[10]。CONTA174和TARGE170元件用于模拟半轴和壳体之间的接触。整个有限元模型有281,650个元素和68,514个节点。
壳体材料
外壳由铸钢ZG40Gr制成，半轴由合金钢ZG40Gr制成。表1给出了各部分所用材料的物理性质。
加载条件
根据设计载荷，在有限元模型的弹簧座上施加37,500kg双侧对称载荷（和）。固定排量约束适用于车轮提供支撑的区域。Y轴和Z轴方向的位移以及Y轴和Z轴的旋转在支座A处受到限制，X，Y和Z方向的位移以及绕Y轴和Z轴的旋转在支座B处受到限制。有限元模型如图10所示。
有限元分析结果
有限元分析的von Mises应力分布如图11所示。根据结果，在壳体下部的班卓过渡区和处存在张应力集中区。这与实际中的壳体的失效区域相同，如图2所示。区域中计算的最大冯米塞斯应力等于260.38MPa，为材料屈服点的75.5％;在区域等于267.01 MPa，是材料屈服点的77.4％。这意味着，如果静态施加，该外壳在正常条件下满足最大负载的安全条件。然而，压力水平表明它足够高导致疲劳。所以设计时应考虑疲劳问题作为强度要求以外的主要失效机制。
但是，驱动桥壳在正常运行条件下显示出早期的断裂问题。为了找出影响桥壳失效的因素，采用有限元方法研究了不平衡加载，壳体斜度和偏心率的影响。这些附加因素如图12所示。
通过有限元分析得到了桥壳区和区的最大冯米塞斯应力，如表2所示。根据表2的数据，结果表明，路面的斜度和桥壳偏心率对静态应力影响不大，而不均匀加载条件对静态应力有显着影响。
结论
利用代表实际矿山路面状况的动态应变测量结合有限元分析，研究了采矿翻斗卡车轴箱早期断裂的问题。基于实际矿山路面条件的疲劳寿命预测结果与实际失效时间相一致。使用有限元分析获得的班卓过渡区的应力集中区域也与实际中产生疲劳裂纹的区域一致。本文提出的方法可用于分析机械部件的故障。
从轴箱失效的调查中，可以得出以下结论：
- 采矿车轴桥壳断裂是由于疲劳。
- 疲劳裂纹起源于班氏过渡区，即应力集中区。
- 结果表明，外壳满足静态条件下最大载荷的安全条件，但动态载荷对外壳有显着影响。基于实际矿山路面状况的桥壳疲劳寿命预测表现出较好的可靠性。
- 路面的斜度和外壳的偏心度对静态应力影响不大。
- 除强度要求外，设计应考虑疲劳作为主要失效机制的问题。
参考文献
汽车复合驱动轴最大刚度的重量优化及有限元分析
摘要：这项工作旨在使复合材料适用于几乎所有汽车中的传动轴，至少对应于后轮驱动和前置发动机安装。如果可以在不增加成本并且降低质量和可靠性的情况下实现，则驱动轴的重量减轻对于车辆的总体重量减轻可以具有一定的作用并且是非常期望的目标。通过满足所有限制条件优化设计参数，可以大大减轻驱动轴的重量。这项工作涉及乘用车，小型卡车和货车的复合驱动轴的设计，材料选择，最佳堆叠顺序和性能。根据Tensional刚度公式和固体与空心轴的强度重量比特性进行了最佳设计。本研究还旨在比较复合驱动轴在钢制传动轴上的性能，并提出复合材料在汽车工业中的适用性。在这种方法中，在有限元商业软件ANSYS中准备了最佳设计的传动轴有限元模型。进行了静态，自由振动和张力屈曲分析，这对于驱动轴等旋转元件非常重要。最后得出的结论是，在所有的分析中，有可能在钢制传动轴上减轻97％的重量。
关键词：优化；复合材料；驱动轴；纤维取向
问题的具体说明
轿车，小型货车和传动轴式厢式货车的基本自然弯曲频率应高于6,500rpm/min以避免旋转振动，并且传动轴的扭矩传递能力应大于3500N/m。由于空间限制，传动轴外径不应超过100mm。传动系统的传动轴应按照规定的设计要求进行优化设计。
传动轴的设计规格
- 最大扭矩：3500N/m。
- 轴的最大速度：6500rpm。
- 轴长；1250mm。
材料选择
基于前面讨论的优势，E-Glass/环氧，碳/环氧和硼/环氧树脂材料被选定用于复合驱动轴。表1显示了用于复合驱动轴的E-Glass/环氧，碳/环氧和硼/环氧树脂材料的性能。
复合驱动轴的分析
4.1建模和网格划分
复合传动轴的建模是在分析软件ANSYS中进行的。复合驱动轴被模拟为一个完整的圆弧，在ANSYS中有复制偏移和填充区域。实际模型的差异通过正确啮合而产生。模拟驱动轴的啮合是通过线性分层结构壳单元的帮助完成的，每个节点具有六个自由度，在节点x，y和
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