搜索ANSYS的前橋強(qiáng)度分析
2013-06-17 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
現(xiàn)代汽車通過采用各種措施不斷追求更高的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和動(dòng)力指標(biāo)及舒適性指標(biāo),相應(yīng)會(huì)導(dǎo)致車架的機(jī)械負(fù)荷不斷增加,形狀越來越復(fù)雜。因此,對(duì)車架強(qiáng)度及剛度的計(jì)算,不可能得到精確的解析解。通過傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化方法,將導(dǎo)致不精確甚至是錯(cuò)誤的解。為獲得滿足工程要求的數(shù)值解,必須運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)。數(shù)值模擬技術(shù)是現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的重要推動(dòng)力之一。汽車前軸是車橋上重要部件之一,是連接車身與車輪的重要部件,它承受懸架傳來的垂直載荷,同時(shí)又承受車輪傳來的制動(dòng)力及側(cè)滑扭矩,因此對(duì)其強(qiáng)度,抗沖擊性,疲勞強(qiáng)度及可靠性方面都有很高的要求,對(duì)汽車前軸進(jìn)行強(qiáng)度分析十分重要。
2 前軸的受力分析
根據(jù)汽車設(shè)計(jì)手冊(cè),對(duì)前軸的受力按照3種危險(xiǎn)工況進(jìn)行分析計(jì)算,即:緊急制動(dòng)工況,側(cè)滑工況和超越不平路面工況。由參考文獻(xiàn)可知,前軸的基本受力情況有3種:車輪受垂直力,車輪受側(cè)向力和車輪受縱向力。根據(jù)車輛行駛過程中受力分析可得;緊急制動(dòng)工況為垂直力和縱向力共同作用的組合工況;側(cè)滑工況為垂直力和側(cè)向力的組合工況;越過不平路面工況即為垂直力單獨(dú)作用的工況。
3 建立模型
3.1 ANSYS簡(jiǎn)介
ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件,廣泛應(yīng)用于汽車交通、機(jī)械制造、電子、土木工程、航空航天等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行,如PC機(jī)、工作站和巨型計(jì)算機(jī)等。ANSYS物理場(chǎng)藕荷的功能,允許在同一模型上進(jìn)行各種藕合計(jì)算,如:熱一結(jié)構(gòu)藕合、磁一結(jié)構(gòu)禍合及電-磁一流體一熱禍合,就確保ANSYS能對(duì)多領(lǐng)域多變工程問題進(jìn)行求解。充分利用ANSYS軟件的強(qiáng)大功能,分別在微機(jī)和SUN工作站上對(duì)車架進(jìn)行模擬計(jì)算,得到較好的結(jié)果。
3.2計(jì)算模型的建立
由于前橋的基本結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,考慮到分析時(shí)的可行性在實(shí)際建模時(shí)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,去除一些對(duì)結(jié)果影響不大的倒角和凸臺(tái)。采用UG軟件進(jìn)行建立三維模型,如圖1所示。
建立模型后將模型通過接口程序?qū)薃NSYS軟件中,考慮到本橋結(jié)構(gòu)的實(shí)體特征,故采用Solid模型與四面體單元對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分17523個(gè)單元,31840個(gè)節(jié)點(diǎn),建立的有限元模型如圖2所示。
前軸材料為12Mn2VB,其彈性模量E=210GP,泊松比Y=0.31,屈服極限。σs=480MPa,強(qiáng)度極限σb=686MPa,由于該材料為塑性材料,故應(yīng)以屈服極限作為極限應(yīng)力。根據(jù)前橋的實(shí)際行駛工況進(jìn)行約束和載荷施加,對(duì)前軸的兩端主銷端孔進(jìn)行全約束,跨越障礙物時(shí)垂向載荷以壓強(qiáng)形式施加在板簧座處,制動(dòng)和側(cè)滑工況垂向載荷施加在板簧座上表面,側(cè)向和縱向載荷施加于懸架安裝孔內(nèi)表面。
4 仿真分析
筆者所研究的車型參數(shù)如表1所示,根據(jù)以上分析對(duì)模型進(jìn)行加載,垂直載荷加在懸架安裝面上,縱向載荷施和側(cè)向載荷加在車橋上懸架安裝螺栓孔內(nèi)表面上.
(1)越過不平路面時(shí)的載荷為最大垂直動(dòng)載荷:
式中:K為動(dòng)載荷系數(shù),G1為前輪靜載荷以面力施加于板簧座上表面上此時(shí)分析結(jié)果如圖3,4所示。
(2)制動(dòng)時(shí)的載荷為板簧面所承受的垂直力與縱向制動(dòng)力的組合此時(shí):
式中:G1為滿載靜止時(shí)前軸的垂直載荷,m"1為制動(dòng)時(shí)質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù),此例可取1.7。
該工況下的垂向載荷以均布施加于板簧座上,制動(dòng)力以均布施加與板簧的安裝螺栓孔內(nèi)表面上,此工況下的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如圖5,6所示。
(3)側(cè)滑工況時(shí)的載荷為側(cè)向力與垂向力的組合:側(cè)向反力:
式中:下標(biāo)L和R分別為左側(cè)和右側(cè)車輪;hg為滿載時(shí)質(zhì)心高度,r"r為板簧座上表面的離地高度,Φ1為側(cè)滑系數(shù),B為汽車輪距,H為滿載時(shí)重心高度,S為兩板簧座中心的距離。此工況下得到的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如圖7 ,8所示.
5 結(jié)論
通過分析結(jié)果可知,制動(dòng)工況下應(yīng)力和變形均最大,最大應(yīng)力為361 MPa,分布如圖5所示。最大變形為3.2mm,位置分布如圖6所示,此種工況出現(xiàn)最大應(yīng)力和變形的原因是:在該工況下制動(dòng)力垂直于軸向,產(chǎn)生剪應(yīng)力,導(dǎo)致組合應(yīng)力和變形增大,在該工況下,該車橋最大應(yīng)力接近流動(dòng)極限,但仍遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限,強(qiáng)度安全系數(shù)ns=1.9。此時(shí),根據(jù)參考文獻(xiàn)雖然車橋不至于斷裂,但安全系數(shù)偏小,要求生產(chǎn)過程中,從原材料到制造工藝,都要嚴(yán)格控制質(zhì)量。在使用過程中,要避免超載,且用戶應(yīng)避免駕車在惡劣路面上高速行駛。在其它兩種工況下應(yīng)力均不超過200MPa,變形不超過lmm。
筆者利用ANSYS對(duì)汽車前軸進(jìn)行強(qiáng)度有限元計(jì)算,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。通過分析可知,有限元法可以較全面的對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,能顯著減少設(shè)計(jì)與制造費(fèi)用,增加對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的信心,減少昂貴的樣機(jī)費(fèi)用。
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