基于HyperWorks的汽車前橋有限元分析

摘要:前橋是汽車的重要部件之一，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。該文運(yùn)用有限元軟件HyperWorks對前橋進(jìn)行應(yīng)力變形分析，用UG建立三維模型后導(dǎo)入HyperWorks生成有限元模型，計(jì)算緊急制動(dòng)、側(cè)滑、越過不平路面三種典型工況下的應(yīng)力及變形。由計(jì)算結(jié)果知，前橋的受力變形符合強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞:前橋; 有限元; HyperWorks

中圖分類號:TH16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號:1009-3044(2009)14-3792-02

Finite Element Analysis of Vehicle Front Axle based on HyperWorks

XONG Xiang-jin

(China Railway No.4 Engineering Group Co.LTD， Hefei 230041， China)

Abstract: Front axle is one of important parts of vehicle， it should have enough intensity. This article applied finite element software HyperWorks to analyzed the stress and distortion of the front axle. The 3D model was build by UG and the finite element model was made after it transmitted into HyperWorks. Three kinds of typical situation were calculated about the stress and distortion. As the result， the load and distortion of the front axle accorded with the demand.

Key words: Front axle; finite element; HyperWorks

1 引言

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程是一個(gè)人工反復(fù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程。工程師借助CAD工具進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，接著提交工廠進(jìn)行加工制造，然后對產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)。如果產(chǎn)品不能滿足功能要求或者失效，就需要對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，甚至重新設(shè)計(jì)，如此反復(fù)，直到產(chǎn)品在實(shí)物試驗(yàn)中滿足全部要求為止。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，CAE技術(shù)日趨成熟，各種數(shù)值仿真方法，如有限元、多體動(dòng)力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到大量的應(yīng)用。產(chǎn)品在完成初步設(shè)計(jì)后，可以基于CAD模型進(jìn)行產(chǎn)品性能的虛擬試驗(yàn)，初步檢驗(yàn)其工作應(yīng)力、運(yùn)動(dòng)過程、產(chǎn)品壽命等。如果產(chǎn)品不能滿足要求，可以立即返回給設(shè)計(jì)人員進(jìn)行修改或重新設(shè)計(jì)，從而大大縮短實(shí)物試驗(yàn)周期和降低費(fèi)用。

前橋是汽車上的重要部件之一，是連接車身與車輪的重要部件。它主要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，所以，對前橋進(jìn)行強(qiáng)度分析十分有必要。

2 前橋受力分析

前橋的受力主要按照3種危險(xiǎn)工況來進(jìn)行分析計(jì)算，分別為:緊急制動(dòng)工況，側(cè)滑工況和越過不平路面工況。前橋的基本受力情況按方向主要分為垂直力、側(cè)向力和縱向力三個(gè)方向。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;越過不平路面工況為垂直力單獨(dú)作用的工況。

1) 制動(dòng)時(shí)的載荷為板簧加載處所承受的垂直力和縱向制動(dòng)力的組合，此時(shí)垂向反力為:

式中，G1為滿載靜止時(shí)前橋的垂直載荷，m1'為制動(dòng)時(shí)質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，這里取1.7。

縱向制動(dòng)力為:

式中，φ為輪胎與地面的附著系數(shù)，取0.8。

該工況下的垂向載荷和制動(dòng)力都以均布施加于板簧座上。

2) 側(cè)滑工況時(shí)的載荷為側(cè)向力與垂向力的組合，側(cè)向反力為:

垂向反力為:

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， rr'板簧座上表面的離地高度，φ1為側(cè)滑系數(shù)，取1.0，B為汽車輪距，H為滿載時(shí)的重心高度，S為兩板簧座中心的距離。

3) 越過不平路面時(shí)的載荷為最大垂直動(dòng)載荷，為:

式中，K為動(dòng)載荷系數(shù)，取2.5，G1為前輪靜載荷以面力施加于板簧座上表面上。

3 模型的建立

3.1 HyperWorks軟件簡介

Altair公司的HyperWorks軟件為用戶提供優(yōu)秀的前處理工具HyperMesh，用于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的OptiStruct技術(shù)以及全面而通用的CAE后處理環(huán)境HyperView。除此之外，它還提供魯棒性研究、集成的制造工藝仿真、流程自動(dòng)化和數(shù)據(jù)管理等方面的支持，集成了設(shè)計(jì)與分析所需的各種工具，在汽車、航空航天、重裝備、國防、消費(fèi)品、石油天然氣以及生命和地球科學(xué)等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

3.2 有限元模型的建立

前橋的基本結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了減少不必要的計(jì)算量，在實(shí)際建模時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

去除對結(jié)果影響不大的凸臺(tái)和倒角，先利用UG進(jìn)行三維建模，然后將模型轉(zhuǎn)化成IGES格式輸出后導(dǎo)入HyperMesh中，對模型表面進(jìn)行二維網(wǎng)格劃分，檢查沒有網(wǎng)格錯(cuò)誤之后再生成四面體單元三維網(wǎng)格，生成的模型如圖1所示。

前橋的加載和約束按照實(shí)際情況，對前橋兩端主銷端孔進(jìn)行約束，載荷加載于板簧座處。前橋材料的彈性模量E=210GP，泊松比為0.3，屈服極限σs=400MPa，強(qiáng)度極限 σb=550MPa。由于該材料為塑性材料，所以應(yīng)以屈服極限作為極限應(yīng)力。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

前橋所受的載荷為1445Kg，前輪輪距為1050mm，滿載質(zhì)心高度為1070mm，板簧座中心間距為900mm。計(jì)算結(jié)果顯示最大應(yīng)力發(fā)生在越過不平路面工況，最大應(yīng)力為77.8MPa，如圖2所示;最大變形為0.46mm，如圖3所示。圖4和圖5為緊急制動(dòng)和側(cè)滑工況下的應(yīng)力分布圖。

最大應(yīng)力產(chǎn)生的部位位于前橋一側(cè)靠近主銷端孔處，不過應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，故安全系數(shù)較高，很好地滿足了強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

本文利用HyperWorks對汽車前橋進(jìn)行強(qiáng)度有限元計(jì)算分析，由分析結(jié)果可知，利用計(jì)算機(jī)工程軟件進(jìn)行有限元計(jì)算能夠?qū)ζ嚱Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較全面的分析，可以有效地減少試驗(yàn)周期，降低設(shè)計(jì)與制造費(fèi)用，顯著減少了車型的開發(fā)周期。

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