基于ABAQUS的轎車內(nèi)球頭拉桿鉚合有限元分析

滕明權(quán)

（萬向錢潮（桂林）汽車底盤部件有限公司，廣西 桂林541004）

轎車內(nèi)球頭拉桿是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵安全件，作用為：傳遞轉(zhuǎn)向動(dòng)作，承受車輪轉(zhuǎn)向沖擊力，并隨車輪擺動(dòng)。球頭拉桿的擺動(dòng)角和拉脫力，關(guān)系到轎車的安全性。轎車內(nèi)球頭拉桿的擺動(dòng)角和拉脫力要符合主機(jī)廠的設(shè)計(jì)要求，如何預(yù)知擺動(dòng)角和拉脫力，成為產(chǎn)品開發(fā)過程中的迫切要求，因此，在內(nèi)球頭拉桿開發(fā)中引進(jìn)了有限元分析軟件ABAQUS，能夠快速確認(rèn)內(nèi)球頭拉桿的擺動(dòng)角和拉脫力，縮短了開發(fā)時(shí)間。

1 結(jié)構(gòu)簡圖及鉚合方法

轎車內(nèi)球頭拉桿結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，其由球頭拉桿、球座、殼體組成，球頭拉桿可繞球心轉(zhuǎn)動(dòng)及擺動(dòng)，并承受軸向拉、壓力，本文所分析的內(nèi)球頭拉桿拉脫力為≥50 kN，擺動(dòng)角為33±2°。殼體內(nèi)孔在鉚合前是圓柱形，將球座、球頭拉桿裝入殼體內(nèi)孔，然后用內(nèi)腔為球面的鉚合凹模進(jìn)行鉚合，將殼體口部縮小為半球形包住球座和球頭拉桿的球頭，使球頭拉桿獲得需要的擺動(dòng)角、拉脫力等。其中，球座材料為聚甲醛，起減磨和緩沖作用，對(duì)擺動(dòng)角、拉脫力影響非常小，為簡化分析模型，本文不對(duì)其進(jìn)行分析。

圖1 內(nèi)球頭拉桿結(jié)構(gòu)簡圖

2 建立分析模型

2.1 建立部件

轎車內(nèi)球頭拉桿的結(jié)構(gòu)、載荷是對(duì)稱的，另外，球頭拉桿經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，在做拉脫力試驗(yàn)時(shí)，其變形量很小，對(duì)拉脫力影響非常小，為提高計(jì)算效率，在ABAQUS中建立軸對(duì)稱部件，球頭拉桿只取一部分進(jìn)行分析，鉚合凹模和球頭拉桿設(shè)為剛體，如圖2所示。

圖2 內(nèi)球頭拉桿分析模型

2.2 劃分網(wǎng)格

對(duì)殼體截面進(jìn)行分區(qū)后，采用種子為0.5的四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，單元類型為STANDARD軸對(duì)稱應(yīng)力線性減縮積分CAX4R。

2.3 確定材料屬性

內(nèi)球頭拉桿殼體鉚合及拉脫力試驗(yàn)屬于材料塑性變形，采用彈塑性材料屬性，應(yīng)用Mises屈服準(zhǔn)則[1]。殼體材料為20#圓鋼，通過冷擠壓成形，因冷作硬化作用，使得成形后口部硬度約為HB200，對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為680 MPa，楊氏模量取210 000 MPa，泊松比取0.3。

2.4 定義相互作用

按實(shí)際接觸情況，鉚合凹模、球頭拉桿分別與殼體之間建立STANDARD表面與表面接觸對(duì)。

2.5 定義載荷及邊界條件

按實(shí)際情況，在殼體底部施加固定約束，鉚合凹模、球頭拉桿分別施加對(duì)稱約束。

根據(jù)分析要求，本模型的分析流程如下：

（1）鉚合凹模下行鉚合，直至鉚合凹模球心超過球頭拉桿球心0.5 mm，將殼體口部縮小為半球形。

（2）鉚合凹模上行，回到原位。

（3）球頭拉桿繞球心順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直至碰到殼體，驗(yàn)證擺動(dòng)角。

（4）球頭拉桿繞球心逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，回到原位。

（5）球頭拉桿上行，從殼體中拉出，驗(yàn)證拉脫力。

3 計(jì)算結(jié)果分析

第（1）分析結(jié)束時(shí)的應(yīng)力云圖如圖3所示，殼體口部應(yīng)力最大，并增厚了0.32 mm。

圖3 第1分析步應(yīng)力分布圖

第（3）分析結(jié)束時(shí)的球頭拉桿的擺動(dòng)角如圖4所示，最大擺動(dòng)角為0.558 2弧度（32°），符合要求。

圖4 第3分析步擺動(dòng)角圖

第（5）分析步結(jié)束時(shí)的球頭拉桿的拉脫力曲線圖如圖5所示，最大拉脫力為60.9 kN，符合要求。

圖5 第5分析步拉脫力圖

本文所分析內(nèi)球頭拉桿，在實(shí)際生產(chǎn)中，擺動(dòng)角為32~34°，拉脫力為57~63 kN，殼體口部局部增厚量為0.3~0.4 mm，有限元分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果很接近。

4 結(jié)束語

通過有限元分析軟件ABAQUS建立簡化的分析模型，并進(jìn)行分析，得出內(nèi)球頭拉桿的最大擺動(dòng)角和拉脫力，為分析內(nèi)球頭拉桿鉚合提供了一種新的思路。分析模型經(jīng)過簡化后，分析效率非常高，提高了工作效率。

本方法能在早期預(yù)知內(nèi)球頭拉桿的最大擺動(dòng)角和拉脫力，方便快捷，縮短了開發(fā)時(shí)間，節(jié)約了開發(fā)成本。

[1]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.