HyperWorks在懸架系統(tǒng)強度分析中的應用

2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

本文針對轎車前懸架強度進行研究,提出了一種基于系統(tǒng)分析思想,綜合考慮結(jié)構(gòu)負載與設(shè)計構(gòu)件所受應力之間的聯(lián)系進行機械結(jié)構(gòu)強度設(shè)計。解決了在設(shè)計階段,通常難以確定結(jié)構(gòu)詳細應力的問題,因而有效提高了強度設(shè)計的準確性與可靠性。

伍建華彭鴻來源:ALTAIR
關(guān)鍵字:CAE HyperWorks 轎車前懸架系統(tǒng) 強度

1 前言
懸架的作用是把路面作用于車輪上的垂直反力、縱向反力和側(cè)向反力以及這些反力所造成的力矩傳遞到車架(或承載式車身)上,保證汽車的正常行駛。懸架系統(tǒng)強度對于整車在行駛過程中的安全性有著至關(guān)重要的影響。本文運用有限元法針對某款轎車前懸架系統(tǒng)強度進行分析,為該車懸架設(shè)計提供參考。
2 有限元模型的建立
系統(tǒng)總成分析的一般分析思路為:收集系統(tǒng)的模型參數(shù)(包括整車相關(guān)參數(shù)、各零部件的幾何模型和連接單元的剛度參數(shù)等)建立各零部件的有限元模型、系統(tǒng)總成建模(主要是建立各零部件之間的連接關(guān)系)和邊界載荷條件、建立分析工況并求解。
建模是有限元分析中一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),要根據(jù)設(shè)計人員對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所關(guān)心的部位,對工程實際系統(tǒng)進行合理建模與理論簡化。該懸架系統(tǒng)的CAD模型在從CATIA軟件轉(zhuǎn)換到CAE軟件HyperMesh的過程中,要進行諸多模型修改工作。首先要選擇合適的單元類型和參數(shù);其次受力大的關(guān)鍵部位要與實際結(jié)構(gòu)和載荷狀況準確一致,這樣才能準確模擬結(jié)構(gòu)的實際強度;再次要嚴格控制單元劃分的質(zhì)量,以及根據(jù)計算機硬件的配置,嚴格控制單元的數(shù)量,單元形狀不好則導致結(jié)果誤差變大,單元數(shù)量過多則導致計算量劇增,對于受力不大的非關(guān)鍵部位,則可以簡化處理,例如:不重要的小圓角、倒角等。
副車架、下擺臂等薄板零件采用板殼單元(SHELL)建模,轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)等較厚的零件采用實體單元(SOLID)建模,對于鉸鏈可以采用剛性單元(JOINT)釋放轉(zhuǎn)動自由度來模擬,襯套可以用彈簧單元(CELAS2)來模擬。前懸架系統(tǒng)的有限元模型共有214979個單元,105102個節(jié)點(如圖1所示),材料彈性模量E=2.1×10⁵MPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7.8×10^-9T/mm³。

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圖1前懸架系統(tǒng)有限元模型

3 強度分析工況和約束條件
根據(jù)設(shè)計要求,在對懸架進行強度分析時,首先進行軸荷分析。作用于懸架上的荷載包括:車身重量、動力總成重量、電器重量、底盤重量、附件重量、內(nèi)外飾重量、安全重量、載重重量等,然后根據(jù)軸距、輪距、重心到前輪中心距離等參數(shù)可以得出前、后軸軸荷。
懸架系統(tǒng)承受路面沖擊載荷的大小與車輛行駛的加速度、路面狀況和載重量等因素有關(guān),本文主要分析四種典型工況下懸架系統(tǒng)的強度。在正常的工作條件下,懸架系統(tǒng)與車身為螺栓連接,約束該處的所有平動和轉(zhuǎn)動自由度,車輛行駛過程中的路面沖擊載荷以力的形式施加到車輪中心(如圖2所示),懸架系統(tǒng)有限元分析計算可按靜態(tài)線彈性小變形問題處理。嚴格地講,對于襯套剛度用非線性彈簧模擬更符合實際情況。

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圖2 前懸架載荷與約束條件

4 分析結(jié)果
懸架系統(tǒng)模型經(jīng)調(diào)試無誤后,方可進行強度分析。模型求解完畢以后,使用后處理軟件HyperView查看各零件的應力大小,以及整個結(jié)構(gòu)變形和應力分布等。懸架系統(tǒng)在四種典型工況下的強度分析結(jié)果應力云圖如圖3所示。

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a.工況一應力云圖 b.工況二應力云圖

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c.工況三應力云圖 d.工況四應力云圖
圖3 前懸架系統(tǒng)強度分析結(jié)果

懸架系統(tǒng)分析方法能夠?qū)Ω避嚰堋⑥D(zhuǎn)向節(jié)、下擺臂、穩(wěn)定桿等部件進行整體分析, 為傳統(tǒng)零部件分析方法所不及。計算結(jié)果確定了懸架系統(tǒng)應力應變水平、分布趨勢和高應力點發(fā)生的區(qū)域和數(shù)值,結(jié)合材料的性能,可對懸架系統(tǒng)進行強度評價。分析結(jié)果的應力極值點所在位置正是實際應用當中懸架系統(tǒng)故障多發(fā)的部位,為懸架的結(jié)構(gòu)設(shè)計改進提供了依據(jù)。
5 結(jié)論
系統(tǒng)總成分析的優(yōu)點:在系統(tǒng)總成的分析中,各個零部件都是以柔性體的形式存在,可以考慮各個零部件的變形對其它相鄰部件的影響,同時部件與部件連接處的模擬更接近真實情況,因此與單個零部件分析相比,總成分析的結(jié)果精度更高,指導意義更大。另外,從邊界和載荷條件來看,系統(tǒng)總成的約束條件比較簡單,工況載荷比較容易計算。在懸架總成分析中,只需要對懸架與車身的連接點進行約束就可以了,載荷主要作用在車輪中心,根據(jù)整車的相關(guān)參數(shù)可以很容易求得。
系統(tǒng)總成分析的缺點:在系統(tǒng)總成分析中,需要提供比較準確的彈性元件參數(shù),比如橡膠襯套和彈簧參數(shù),這些參數(shù)的準確與否直接影響著載荷在各個連接點的分配,進而影響各零部件的應力分布。另外,就系統(tǒng)總成的分析模型而言,其規(guī)模一般都很大,計算時間長,對計算機的性能要求高。
本文利用CAE技術(shù),在較為精確建模的基礎(chǔ)上,模擬計算懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度,相對于傳統(tǒng)設(shè)計,縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期,提高了設(shè)計的可靠性。

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