上推力桿支架的有限元分析及其設(shè)計(jì)應(yīng)用

樊文問

（方盛車橋（柳州）有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545006）

1 概述

近年來，汽車使用的工況越來越惡劣，現(xiàn)有的上推力桿支架已不能滿足使用要求，在實(shí)際使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)斷裂等諸多問題。為此，結(jié)合上推力桿支架受力情況，分析故障模式，通過有限元分析，對(duì)上推力桿支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)改進(jìn)前后的方案進(jìn)行對(duì)比，從而有效地提高了上推力桿支架的性能及其壽命。

2 受力情況

2.1 上推力桿支架在整車上的布置見圖1

圖1 上推力桿支架在整車上的布置圖

2.2 參數(shù)

車橋額定載荷m：16000Kg；輪胎滾動(dòng)半徑R：536mm；上推力桿支架到橋中心線距離A：396mm，下推力桿支架到橋中心線距離B：196mm。

2.3 以下推力桿中心為支點(diǎn)，上推力桿支架簡(jiǎn)化受力見圖2

圖2 上推力桿支架的簡(jiǎn)化受力圖

上推力桿中心到下推力桿中心的距離C為：

C=A+B=396 mm +196 mm =592 mm

下推力桿中心到地面的距離D為：

D=R-B=536 mm -196 mm =340 mm

地面反作用于輪胎的力F為：

F=μmg=0.8×16000×9.8=125440N

則上推力桿受力P為：

P=（F×D）/C=（125440×340）/592=72043N

3 有限元分析對(duì)比

3.1 優(yōu)化前上推力桿支架三維模型的建立

根據(jù)優(yōu)化前二維圖相關(guān)尺寸，利用三維軟件SolidWorks建立上推力桿支架的模型，建立好后的簡(jiǎn)化模型見圖3

圖3 優(yōu)化前上推力桿支架模型

3.2 優(yōu)化前上推力桿支架進(jìn)行約束和載荷

根據(jù)上推力桿支架實(shí)際裝配受力情況，對(duì)上推力桿支架進(jìn)行約束和加載。具體情況見圖 4。由以上參數(shù)算得推力桿加載的力P=72043N，該上推力桿支架的材料為ZG310-570。

圖4 優(yōu)化前上推力桿支架的約束及加載圖

3.3 優(yōu)化前上推力桿支架受力分析及結(jié)果評(píng)價(jià)

將載荷及約束施加到已建好的模型中，進(jìn)行有限元分析。通過分析應(yīng)力圖，分析上推力桿支架的危險(xiǎn)部位和可以優(yōu)化的地方。

圖5 優(yōu)化前上推力桿支架應(yīng)力云圖

從受力分析的應(yīng)力圖可以看出，該上推力桿支架受力最大發(fā)生在加工面的小圓角處，為 344Mp，屬于拉應(yīng)力，第二危險(xiǎn)位置發(fā)生在加強(qiáng)筋的大圓角處，為307Mp，屬于拉應(yīng)力。材料的使用應(yīng)力 310Mp，說明在使用過程中，這幾個(gè)地方是有疲勞拉裂的可能。而實(shí)際使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)斷裂的地方正是圖中分析的危險(xiǎn)處，必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.4 優(yōu)化后上推力桿支架三維模型的建立

根據(jù)優(yōu)化前的上推力桿支架薄弱部分，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案為：側(cè)面加厚，前后增加加強(qiáng)筋，中間加強(qiáng)筋加高并掏空。

優(yōu)化后的三維模型見圖5。

圖5 優(yōu)化后上推力桿支架模型

3.5 優(yōu)化后上推力桿支架進(jìn)行約束和載荷

按優(yōu)化前的相同情況進(jìn)行約束和載荷，具體見圖6

圖6 優(yōu)化后上推力桿支架的約束及加載圖

3.6 優(yōu)化后上推力桿支架受力分析及結(jié)果評(píng)價(jià)

經(jīng)過優(yōu)化前的分析結(jié)果，找出了上推力桿支架容易斷裂的地方，通過改變上推力桿支架的結(jié)構(gòu)，并對(duì)其再次進(jìn)行有限元分析。具體見圖6

圖7 優(yōu)化后上推力桿支架應(yīng)力云圖

從受力分析的應(yīng)力圖可以看出，該上推力桿支架受力最大應(yīng)力為241Mp，第二危險(xiǎn)位置應(yīng)力為209Mp，均有不同程度的下降，使之達(dá)到了工況要求。改進(jìn)前，薄弱處應(yīng)力最大為344Mp；改進(jìn)后，薄弱處應(yīng)力最大為241Mp，應(yīng)力減少約30%。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過建立上推力桿支架的三維模型，并進(jìn)行靜態(tài)特性分析，得到此零件的應(yīng)力分布情況，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。有限元分析方法，在其他產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)中，具有重要的借鑒意義。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可以在精確建模的基礎(chǔ)上，模擬技術(shù)零件的強(qiáng)度，找出其結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，通過調(diào)整零件結(jié)構(gòu)，對(duì)零件的應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比，從而達(dá)到零件優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，最終得到理想的方案。同時(shí)，為后期的試驗(yàn)提供參考，減少試驗(yàn)次數(shù)，減低試驗(yàn)成本，縮短開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品快速響應(yīng)市場(chǎng)應(yīng)變的能力，提高產(chǎn)品品質(zhì)。

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