混凝土攪拌運輸車（以下簡稱攪拌車）承載重，運行工況復雜，新車型量產前進行至少兩個月規定里程試驗場的強化路試驗。強化路環形試驗場包括扭曲路、魚鱗坑路和搓衣板路，扭曲路為試驗場典型路況，對車架結構件損傷最大，結構件開裂發生在該疲勞扭轉工況。

為了減少強化路試驗時間和在設計階段發現欠設計結構件，很有必要進行攪拌車結構件疲勞仿真分析，本文以某四軸攪拌車為研究對象，使用MSC軟件公司仿真工具搭建整車多體動力學模型進行虛擬試驗場仿真分析，同時進行應力和振動試驗驗證，進一步進行疲勞仿真計算，預警結構件欠設計區域，技術路線如圖2。

結構件模態應力恢復理論

攪拌車大型結構件包括主車架、副車架、前臺、后臺和扶梯，如果采用常規有限元方法模擬結構件的變形，會使得結構件自由度多，方程階數高，計算成本巨大，且結構的響應由低級模態控制，不必為少數低階模態去求解整個結構的高階動力學方程，因此本文選擇模態綜合法模擬結構件的變形，而Craig-Bampton方法是固定界面模態綜合法中最具代表性的一種方法。

   本文采用MSC Nastran進行主車架、副車架、前臺、后臺和扶梯自由模態分析，生成一個MNF文件導入至MSC Adams生成柔性車架，如圖3。

整車建模

  本文采用MSC Adams動力學仿真分析軟件搭建整車模型，Adams是CAE領域中使用范圍最廣、應用行業最多的機械系統動力學仿真工具，廣泛應用于汽車、航空、航天、鐵道、兵器、工程設備及重型機械等行業，能幫助設計人員對系統的各種動力學性能進行有效的評估，提高產品性能和減少昂貴耗時的物理樣機試驗。

圖 4: 攪拌車剛柔耦合整車模型

虛擬試驗場建模

  采用Adams 3D shell路面方法建立三段特殊虛擬路面和整圈試驗場，特殊路面用于動力學模型驗證，整圈路面用于提取疲勞載荷文件,如圖5

模型調試

虛擬路面仿真分析

  整車調試最重要的工作是進行參數靈敏度分析，基于扭曲路進行了影響應力的關鍵參數靈敏度分析，包括扭曲路橫向坡道、輪胎胎壓、整車偏心、一二橋板簧限位塊、攪拌筒與減速機連接襯套剛度；基于搓板路進行了影響振動的關鍵參數靈敏度分析，包括輪胎阻尼和板簧阻尼比。

   經分析，應力影響因素重要程度排序為限位塊間隙> 減速機襯套剛度> 偏心> 坡道>胎壓，振動影響因素輪胎阻尼和板簧阻尼比基本呈現阻尼或阻尼比越小，幅值越大趨勢。

應力振動試驗

  在試驗場嚴格按照試驗大綱進行整車應力和振動測試，應力共24個測點，左右對稱布置，其中，8個應力片測試主應力，16個應變花測試Von Misses應力；振動共13個測點，測量垂直方向振動加速度，如圖6。

圖 6: 應力、振動試驗

仿真試驗對標

   扭曲路整車剛柔耦合動力學仿真分析對標應力幅值，根據應力靈敏度影響因素排序，輸入準確胎壓對應的輪胎剛度、一二橋限位塊距離、整車偏心和扭曲路橫向坡道，著重調整攪拌筒與減速機襯套連接剛度，采用Adams 模態應力恢復方法提取對應試驗測點的仿真應力進行比較；魚鱗路剛柔耦合動力學仿真分析對標加速度主頻和幅值，著重調整輪胎阻尼和板簧阻尼比，提取柔性車架對應適應測點的仿真加速度主頻和幅值進行比較，如圖7。

虛擬試驗場仿真分析

   Adams 具備機器駕駛功能，通過編寫事件控制程序，指定轉向、油門、制動、擋位和離合信號，試驗臺通過內置程序控制車輛繞虛擬試驗場行駛，通過Adams Durability 模塊可直接輸出載荷文件至MSC Fatigue 進行疲勞計算。

疲勞計算

   MSC疲勞計算有三個輸入條件，有限元模型，Adams加載條件和材料信息，有限元模型為Nastran模態計算的bdf文件，Adams加載條件為整圈試驗場輸出的柔性車架dac文件，材料信息為主副車架B610L S-N曲線和扶梯Q235 S-N曲線，噴丸處理，車架整體結構采用應力壽命方法，計算得到車架壽命云圖如圖8。

圖 8: Fatigue 結構件疲勞壽命圖

   通過疲勞計算，車架疲勞強化里程最低29609km，副車架最低22010公里，遠大于1萬公里強化里程數要求。通過試驗場強化試驗驗證，車架、前后臺結構均未出現疲勞開裂故障。

  本文以四橋攪拌車為研究對象，基于模態應力恢復理論，采用MSC剛柔耦合動力學疲勞壽命方法計算了車架疲勞壽命，通過應力振動試驗驗證應力振動誤差小于17%，仿真與試驗結果趨勢一致性達90%以上，試驗場可靠性結果驗證了結構件疲勞壽命，表明整車剛柔耦合動力學建模和疲勞計算方法的合理性，整套方法可以用于新車型結構件疲勞壽命評估以及拓展至基于客戶路譜的車輛壽命研究，一定程度上可減少試驗場強化路里程，降低產品開發成本，縮短樣機試驗時間。