摘要:龙头把头的疲劳强度台架试验是模拟龙头把头在骑乘时的受力情况,找出不足进行修正大大节省了设计周期,提高了产品设计质量,是目前摩托车零部件的设计趋势。
产品的疲劳寿命是现代设计的一个重要指标,随着市场竞争的日益激烈,用户对产品的疲劳寿命要求也越来越高。与传统的静强度设计相比,疲劳寿命设计需要了解产品的使用环境,应用现代疲劳理论,并结合试验验证,以确保所需的设计寿命。
龙头把手是摩托车的一个重要零部件,它影响骑乘人员的舒适性和安全性。当龙头把手设计疲劳寿命不足发生疲劳断裂时,极易发生车毁人亡的惨烈后果,因此,对龙头把手进行疲劳强度验证是非常必要的。钱江摩托股份有限公司龙头把手疲劳耐久试验包括MSC.fetigue软件疲劳分析、疲劳强度台架试验及实际路试试验验证,其中,疲劳强度台架试验和MSC.fetigue软件疲劳分析能够大大缩短设计周期。本文,笔者实例介绍利用疲劳强度台架试验及MSC.fetigue软件在摩托车龙头把手设计中的应用,以供大家参考。
摩托车实际骑乘时,龙头把手主要受骑乘者握把处的作用力,龙头把手的疲劳强度台架试验正是模拟龙头把头骑乘时的受力情况。
首先,将龙头把手按照整车实际装配位置制作专用夹具进行固定,施力方向按照实际摩托车使用时的双手施力方向,施加的力F按公式进行计算,试验台设计时一般采用左右载荷连接,中间统一施加力F*=2F进行循环疲劳试验,受力示意图如图1所示。
某型号龙头把手样件生产时,疲劳试验施加的载荷,按公式计算为F*=1 400 N (700 N×2),试验加载周期为2s,结果,试验循环次数在175 710次时发生断裂,把手试验台及失效图片如图2、图3所示,下面运用MSC软件对试验结果进行分析并改进。
1 模型建立
该型号龙头把手材料为6061铝合金,将模型离散成尺寸为2 mm的6面体单元,单元个数为49 080个,节点36 962个,模型如图2所示。该铝合金的的材料特性为:
弹性模量:6.89×104 MPa,泊松比0.33,剪切模量2.6×104 MPa,密度2.7 ×103 kg/m3。
边界条件:约束把手管安装座位置的3个平动自由度和旋转自由度;载荷从垂直方向旋转20°,左右各加载力F=700 N作用在1/2握把处,如图4所示。
2 静强度分析
该型号龙头把手模型静强度分析结果如图5所示。
3 疲劳分析
疲劳失效以前所经历的应力或应变循环数称为疲劳寿命,一般用N表示。试样的疲劳寿命取决于材料的力学性能及施加的应力水平,一般来说,材料的疲劳极限强度越高,外加的应力越低,试样的疲劳寿命就越长;反之,疲劳寿命就越短;当应力低于材料的疲劳强度时,寿命可无限长。本文分析龙头把手在试验条件下的疲劳寿命,根据龙头把手材料的疲劳特性时间和台架试验循环载荷谱,来进行龙头把手的疲劳寿命分析。
3.1材料疲劳寿命曲线
为保证摩托车行驶安全,根据龙头把手材料6061的性能参数,取可靠度为99.9%的疲劳寿命曲线(根据极限抗拉强度UTS估算)如图6所示。
3.2载荷数据
试验载荷是以上述工况确定的载荷力大小进行等幅循环加载,加载周期为2s,疲劳分析中采用脉冲载荷作为载荷谱,循环谱如图7所示。
3.3疲劳结果分析
将前面得到的龙头把手结构应力值、材料疲劳寿命曲线、试验循环载荷谱输入到MSC.fetigue软件中,得到龙头把手的疲劳寿命云图,经分析得出,疲劳危险区域是在应力值比较大、应力集中的区域开始破坏,如图8所示,与台架试验结果吻合,进一步验证了分析的可靠性。