汽車(chē)電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵螺栓仿真分析

趙建寧

（青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)工程系 青海 810003）

0 引言

螺栓連接是連接關(guān)系中的一種，其強(qiáng)度的好壞決定了連接的穩(wěn)定性。保證螺栓強(qiáng)度，才能保證其被連接件可工作性。因此，螺栓強(qiáng)度分析是仿真分析中必不可少的一項(xiàng)，同時(shí)也是一個(gè)難點(diǎn)。

1 仿真數(shù)模建立及工況

在參照汽車(chē)電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵試驗(yàn)實(shí)際物理模型的基礎(chǔ)上，并對(duì)轉(zhuǎn)向泵殼體作簡(jiǎn)化處理，忽略轉(zhuǎn)向泵等構(gòu)件中對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度影響不大的小特征，同時(shí)注意轉(zhuǎn)向泵殼體與螺栓之間節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)，建立其有限元模型如圖1所示。

圖1 仿真數(shù)模及簡(jiǎn)化部位

依據(jù)實(shí)際受力情況加載約束，并根據(jù)試驗(yàn)時(shí)的工作壓力10MPa、1Hz的頻率沖擊以及螺栓力矩設(shè)置工況。

2 仿真分析結(jié)果

2.1 螺栓應(yīng)力結(jié)果

殼體的應(yīng)力結(jié)果如圖2所示。

由于繞軸線剛度較弱，應(yīng)力值偏大，導(dǎo)致圖中右上方對(duì)應(yīng)的螺栓應(yīng)力值比其他螺栓大，其應(yīng)力分布圖如圖3所示。

2.2 螺栓疲勞分析結(jié)果

根據(jù)疲勞破壞機(jī)理與斷口特征描述，裂紋源通常在高應(yīng)力局部或材料缺陷處，此例顯示為高應(yīng)力部位。利用疲勞分析軟件，將模型與結(jié)果導(dǎo)入，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，得出的疲勞分析結(jié)果如圖4所示，壽命最短的地方，正是應(yīng)力集中的位置。

圖2 殼體應(yīng)力分布圖

圖3 螺栓最大應(yīng)力位置分布圖

圖4 螺栓疲勞壽命分布圖

3 優(yōu)化方案及仿真分析結(jié)果

3.1 優(yōu)化方案

根據(jù)應(yīng)力集中位置，改善方法有兩種：

1）加強(qiáng)繞軸線方向殼體的剛度。

2）加大螺栓直徑。

因此，優(yōu)化方案亦有兩種：

方案1：去除該體凸臺(tái)部分，并體加厚至8mm。

方案2：將原M6螺栓改為M8螺栓。

3.2 優(yōu)化方案仿真分析及結(jié)果

1）方案1仿真分析結(jié)果

方案1旨在提高整體剛度并且分散局部剛度，避免某一處剛度過(guò)小，其有限元模型如圖5所示。

圖5 方案1有限元模型

方案1的應(yīng)力分布圖如圖6所示。

圖6 方案1應(yīng)力分布結(jié)果(左為預(yù)緊力，右為壓力)

此時(shí)由于剛度比較平均，導(dǎo)致螺栓應(yīng)力值比較平均。將其導(dǎo)入疲勞分析，進(jìn)行與原方案同樣的疲勞設(shè)置，其螺栓疲勞結(jié)果如圖7所示。

圖7 方案1疲勞分析結(jié)果

2）方案2仿真分析結(jié)果

方案2旨在直接提高螺栓本身的剛度。但是由于螺栓直徑的增加，所以其擰緊力矩由原來(lái)的16N·m提升為20N·m。方案2的有限元模型如圖8所示。

圖8 方案2有限元模型

其相應(yīng)的應(yīng)力如圖9所示，疲勞結(jié)果如圖10所示。

圖9 方案2應(yīng)力分布結(jié)果(左為預(yù)緊力，右為壓力)

圖10 方案2疲勞分析結(jié)果

此時(shí)應(yīng)力集中位置雖然仍然在螺栓處，但是由于螺栓應(yīng)力明顯下降，材料強(qiáng)度明顯比殼體好，所以疲勞點(diǎn)轉(zhuǎn)移到殼體上。

4 兩種方案仿真分析結(jié)果對(duì)比

兩種方案對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 兩種方案對(duì)比結(jié)果

在預(yù)緊力作用下，螺栓應(yīng)力分布均勻，變化不大。方案1的加厚殼體變化不顯著，針對(duì)方案2雖然預(yù)緊力由16N·m提升為20N·m，但螺栓直徑加大，所以整體應(yīng)力反而下降，其變化比方案1顯著。

在壓強(qiáng)作用力下，方案1和方案2的螺栓強(qiáng)度均顯著提升，方案1提升16.7%，方案2則提升29.6%，相較之下，方案2變化更明顯。

在應(yīng)力計(jì)算完成之后，對(duì)各種載荷工況聯(lián)合計(jì)算，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞分析。由數(shù)據(jù)可以看出，方案2提升效果比方案1顯著。

綜合以上分析結(jié)果，兩種方案中方案2更優(yōu)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)汽車(chē)電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵的螺栓進(jìn)行仿真數(shù)模建立及仿真分析，提出針對(duì)問(wèn)題的兩種優(yōu)化方案，并對(duì)兩種優(yōu)化方案進(jìn)一步進(jìn)行仿真分析，通過(guò)結(jié)果對(duì)比最終得出加大螺栓直徑的方案2是最佳的方案。

[1]陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢: 華中科技大學(xué)出版社,2001.

[2]張勝蘭, 鄭東黎.基于Hyperworks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.