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某重型牵引车尿素箱支架疲劳寿命分析

张志远,陈涛,李忠亮，张庆辉

一汽解放汽车有限公司

摘要:应用Abaqus软件对处于设计阶段的某重型牵引车尿素箱支架焊接总成进行强度分

析，并以多工况下强度分析的结果作为输入，应用Fe-safe对尿素箱支架结构进行疲劳寿命

分析，发现了设计结构的薄弱部位；经分析结构的载荷传递路径发现新设计的连接车架和尿素箱支架焊接总成的过渡支架使结构的受力状态产生了变化，减小了尿素箱支架的支撑面积，使尿素箱支架局部产生应力集中，从而提出增加尿素箱支架接触面积的改进结构，

经分析验证改进结构的强度和疲劳寿命都有所提高，满足了可靠性要求。

关键词:尿素箱支架，强度分析，疲劳寿命分析，结构改进

1.简介

随着国家对于商用车排放的重视，2013年7月1日起，全面实行GB17691第IV阶断排放

标准，一般来说，要实现国IV标准的排放限值，主要有SCR(选择性催化还原)和EGR+DPF

（废气再循环加颗粒捕捉器）两条技术路线供采用，国内多采用SCR技术。SCR技术是在

对喷油和燃烧过程优化的基础上，首先降低颗粒物在发动机缸内的产生，然后再通过尿素溶液对排气中的氮氧化物进行选择性的催化还原，实现排放的达标。在SCR技术的模式

下，车辆必须增加一个专门的尿素箱，尿素箱通过支架与车架相连接。作为承载尿素箱重

量的尿素箱支架焊接总成强度和结构耐久性很重要，因此在设计之初，要对尿素箱支架焊接总成结构进行强度和疲劳寿命校核分析，发现寿命薄弱部位并加以改进，提高结构的可

靠性。

2.尿素箱支架结构强度分析

本文主要采用Abaqus对该支架进行有限元分析计算。除求解器采用Abaqus外。疲劳

分析步骤均在Fe-safe中完成。流程为1）建立模型2）划分网格3）建立相互作用4）施加

载荷以及约束5）求解6）结果后处理。

2.1结构网格划分

尿素箱支架焊接总成结构由尿素箱支撑板、尿素箱底板、尿素箱背板、尿素箱连接

板，尿素箱箍带、肋板、过渡支架组成，为了计算尿素箱支架总成的强度，根据圣维南原

理，需要截取与过渡支架相连接的车架的一段作为边界。这些结构都是薄壁结构，使用壳单元来描述，在车架和尿素箱支架的倒角处，通过增加网格密度细化结构，使计算结果更

加精确。在存在接触和焊接的位置手动细化种子节点使关键区域生成的网格更加精细，以

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便于连接关系的建立。螺栓简化为梁单元，在梁结构的中间添加节点以便后期施加螺栓预

紧力。

2.2建立材料模型

为了准确描述材料进入塑性的应力状态，建立弹塑性材料模型，在定义塑性数据时，采用真是应力和真是应变。Abaqus需要这些值，以便正确的换算数据。材料的试验数据通

常是以名义应力和名义应变的形式给出的。在这种情况下，必须将名义应力应变转化为真

实的应力值，为了定义真实应变和名义应变之间的关系，首先将名义应变表示为

???????

lllll

001

mon

llll

0000

在表达式两边同时加上1并取自然对数，可以得到真实应变和名义应变之间的关系；

??????

ln1

nom

考虑到塑性变形的不可压缩性，并假定弹性变形是不可压缩的，可以建立真实应力和

名义应力之间的关系；

lA?lA

00

当前面积与初始面积的关系为

A?A

0

l

0

l

将当前面积A的定义带入到真实应力的定义中，得到

??FFll

??

?????

0

AAll

nom

??000

l

l也可以写成1?，将其带入上式得到真实应力和名义应力之间的关系，

?

其中，0

nom

???(1??)

nomnom

将应力应变曲线简化成折线输入到Abaqus材料模型中，建立材料的弹塑性模型。

2.3建立相互作用

尿素箱支架各个零件主要连接方式为螺栓连接和焊接，螺栓连接通过建立梁单元来模

拟，在梁单元的端部施加多点约束来模拟螺栓和车架的连接，在螺栓中部施加预紧力来模拟螺栓的拧紧作用。建立fastener来模拟焊点，可以定义焊点的直径和焊接单元的属性。

尿素箱支架和尿素箱、箍带和尿素箱、过渡支架和车架等结构之间存在相互作用，定义这

些面与面之间的接触，通过切向和法向作用来控制面与面之间的控制关系。对于尿素箱上的一些非结构质量通过质量单元的形式施加到结构上。

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2.4定义载荷和边界

通过定义垂直冲击工况、启动工况、制动工况、左转弯工况、右转弯工况来校核尿素

箱支架的强度。约束车架断面xyz3个方向的自由度。建立的尿素箱支架结构有限元模型如

图1所示。

图1.