基于ANSYS 的汽車懸架控制臂有限元分析

張海波，張瑞軍，常 影

(東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

0 引言

隨著汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，懸架系統(tǒng)及其零部件的形式越趨復(fù)雜［1］，汽車懸架控制臂作為汽車懸架系統(tǒng)的重要組成零件，其質(zhì)量的好壞對(duì)汽車行駛的安全性至關(guān)重要［2］。

在實(shí)際工作狀況下，汽車懸架控制臂經(jīng)常會(huì)受到大小和方向不同的扭轉(zhuǎn)力作用，隨著受力次數(shù)的增加，汽車懸架控制臂的某些部位會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞。而汽車懸架控制臂的強(qiáng)度及疲勞特性影響著汽車系統(tǒng)的可靠性［3］。因此，汽車懸架控制臂的疲勞壽命是設(shè)計(jì)中必須要考慮的一個(gè)重要因素。然而，用傳統(tǒng)的解析法對(duì)汽車懸架控制臂所受的應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度情況進(jìn)行分析時(shí)，解析誤差太大［4］。本文結(jié)合汽車懸架控制臂的實(shí)際受載狀況，利用ANSYS 疲勞分析模塊對(duì)其加載求解。從而為汽車懸架控制臂后續(xù)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)提供了充分的理論依據(jù)。

1 汽車懸架控制臂三維模型的建立

本文所研究的是汽車懸架控制臂，由于此零件的外廓形狀不規(guī)則，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型非常困難，且汽車懸架控制臂的曲面和曲線方程也很難建立，因此本文采用逆向工程技術(shù)獲得此零件的三維幾何模型。首先，用三維激光掃描儀對(duì)汽車懸架控制臂進(jìn)行掃描，獲取此零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其次，對(duì)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及偏差分析，直到獲得高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最后，將獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA 軟件中，建立汽車懸架控制臂的三維模型。其中，具體汽車懸架控制臂逆向三維建模過程如圖1 所示。

圖1 汽車懸架控制臂的三維建模流程圖

通過上述處理獲得汽車懸架控制臂的三維模型如圖2 所示。

圖2 汽車懸架控制臂的三維模型

2 汽車懸架控制臂的載荷分析

在對(duì)汽車懸架控制臂構(gòu)件進(jìn)行有限元疲勞強(qiáng)度分析時(shí)，通常要根據(jù)構(gòu)件的實(shí)際情況定義邊界條件，包括施加的載荷和施加的固定約束［5］。在對(duì)汽車懸架控制臂進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，此構(gòu)件比較特殊，如圖3 所示，在汽車行駛的過程中，汽車懸架控制臂始終繞著與副車架連接的內(nèi)側(cè)鉸點(diǎn)擺動(dòng)，是一個(gè)運(yùn)動(dòng)件。汽車懸架控制臂與襯套之間、襯套與螺栓之間為過盈配合，襯套通過芯部的螺栓固定在副車架上。

汽車懸架控制臂中襯套繞螺栓的設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)剛度為7N·m/deg，汽車懸架控制臂的長(zhǎng)度為500mm，假設(shè)車輪上跳的最大高度為50mm，則襯套受到的扭矩的大小為50N·m，汽車懸架控制臂受到同樣大小的反扭矩作用，但這個(gè)扭矩與實(shí)際工況下內(nèi)側(cè)鉸點(diǎn)其它各平動(dòng)方向的載荷相比是個(gè)很小的值，故對(duì)汽車懸架控制臂受力分析時(shí)可以認(rèn)為控制臂的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不受限制。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)汽車懸架控制臂進(jìn)行有限元分析時(shí)，在內(nèi)側(cè)鉸點(diǎn)建立約束，限制其5 個(gè)自由度(不限制內(nèi)鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)，對(duì)外側(cè)球鉸點(diǎn)進(jìn)行加載。

圖3 汽車懸架控制臂連接圖

3 ANSYS 對(duì)控制臂的疲勞分析

3.1 疲勞分析原理

疲勞是指結(jié)構(gòu)在低于靜強(qiáng)度極限的載荷重復(fù)作用下出現(xiàn)的疲勞斷裂現(xiàn)象［6］。而根據(jù)國外的統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件的破壞50%～90%是疲勞破壞［7］。疲勞破壞通常有一些共同的特點(diǎn):①斷裂時(shí)無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，是突然的破壞。②引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于靜載荷時(shí)的屈服強(qiáng)度。③疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和最后斷裂的三個(gè)組成部分。

3.2 幾何模型的轉(zhuǎn)換及導(dǎo)入

由于ANSYS 具有完善的數(shù)據(jù)接口，可以與許多三維CAD 軟件共享數(shù)據(jù)［8］，利用ANSYS 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，可以精確地將CAD 平臺(tái)上生成的幾何數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入ANSYS 中。本文研究的汽車懸架控制臂沒有具體的幾何參數(shù)，是通過對(duì)原有的模型掃描、處理導(dǎo)入CATIA 軟件中建立汽車懸架控制臂的三維模型，然后再導(dǎo)入ANSYS，將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為有限元模型。

3.2.1 材料參數(shù)設(shè)置

本文所研究的汽車懸架控制臂材料為鍛鋁，該材料為L(zhǎng)D10，屬于塑性材料。該材料的彈性模量為E=7.48e+04MPa，泊松比L=0.35，密度為2820Kg/m3，屈服極限為240MPa，強(qiáng)度極限為370MPa。

3.2.2 汽車懸架控制臂的網(wǎng)格劃分

在ANSYS 分析模塊中，分析計(jì)算的是有限元模型而不是幾何模型，所以需要對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元?jiǎng)澐志褪菍⑦B續(xù)體進(jìn)行離散化，利用簡(jiǎn)化幾何單元來近似逼近連續(xù)體，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解［9］。

本文中汽車懸架控制臂的形狀比較復(fù)雜，且由圖3 可以看出，汽車懸架控制臂的大部分受力在外側(cè)球鉸點(diǎn)處，考慮到實(shí)際工作中汽車懸架控制臂彎曲處及外側(cè)球鉸點(diǎn)處強(qiáng)度薄弱，故此處網(wǎng)格劃分應(yīng)密集一些，劃分結(jié)果如圖4 所示。

圖4 汽車懸架控制臂的網(wǎng)格圖

3.2.3 汽車懸架控制臂的強(qiáng)度分析

在對(duì)汽車懸架控制臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及疲勞特性分析時(shí)，必須對(duì)此零件的強(qiáng)度進(jìn)行校核。只有強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，整個(gè)汽車懸架系統(tǒng)的壽命及可靠性才有可能提高。在ANSYS 軟件中，首先對(duì)汽車懸架控制臂中的內(nèi)側(cè)鉸點(diǎn)和外側(cè)球鉸點(diǎn)作約束，限制X方向及Z方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。然后對(duì)此零件作應(yīng)力分析，得到汽車懸架控制臂的應(yīng)力分布圖，如圖5 所示。

圖5 汽車懸架控制臂的應(yīng)力圖

在汽車系統(tǒng)中，汽車零件的安全系數(shù)一般為1.4～1.6［10］，對(duì)于易損或重要零件還要乘以1.3～1.5 的特別系數(shù)，由此得最大安全系數(shù)為2.4。本文所研究的汽車懸架控制臂是涉及汽車行駛安全的重要零件，出于汽車安全的考慮，本研究選用最大安全系數(shù)s=2.4，汽車懸架控制臂的屈服極限σs=240MPa，則許用應(yīng)力為:

由圖5 汽車懸架控制臂的強(qiáng)度分析結(jié)果可以看出，此零件的最大應(yīng)力為σmax=73.38MPa，小于其許用應(yīng)力。所以此零件在極限靜載荷作用下也能滿足強(qiáng)度要求。因此從靜力學(xué)的角度分析，該汽車懸架控制臂模型的符合設(shè)計(jì)要求，能夠滿足在實(shí)際使用中的安全性。

3.2.4 汽車懸架控制臂的疲勞分析

設(shè)計(jì)中要求汽車懸架控制臂在振幅為上下10mm，頻率為0.7～15Hz［11］下至少要循環(huán)10 萬次。本文利用ANSYS 軟件對(duì)汽車懸架控制臂的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行定性分析，其分析結(jié)果如圖6 中a，b，c 所示。

圖6 汽車懸架控制臂疲勞分析結(jié)果

由圖6 的分析結(jié)果可以看出，汽車懸架控制的最小壽命循環(huán)1.99e7次，超出了設(shè)計(jì)要求的循環(huán)次數(shù)。由雨流矩陣可以看出大多數(shù)是在低平均應(yīng)力和低應(yīng)力幅下的，且損傷矩陣中大多數(shù)分值是針對(duì)低應(yīng)力和低應(yīng)力幅的，但這些并不在危險(xiǎn)位置造成最大的損傷，故此汽車懸架控制臂能夠滿足使用要求。

4 結(jié)論

從本文的研究可以得到以下結(jié)論:①汽車懸架控制臂的強(qiáng)度能夠滿足使用要求。②汽車懸架控制臂的疲勞循環(huán)次數(shù)滿足設(shè)計(jì)中的要求。③針對(duì)汽車懸架控制臂材料的強(qiáng)度及疲勞特性可以利用ANSYS 軟件進(jìn)行快速的分析，降低了試驗(yàn)成本，有利于產(chǎn)品的進(jìn)一步優(yōu)化，縮短了企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的周期。

［1］蘇發(fā)，楊蘭玉，牛曙光.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.汽車工藝與材料，2007(7):7 -9.

［2］劉顯玉.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的有限元分析［J］. 機(jī)電設(shè)備，2005，24(3):9 -11.

［3］蔣翠翠，上官文斌. 汽車懸架控制臂［J］. 現(xiàn)代零部件，2008(2):90 -92.

［4］黃民鋒，江迎春.基于有限元汽車構(gòu)建疲勞壽命分析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2008，21(2):57 -59.

［5］黃康，仰榮德. 基于ANSYA 汽車橫向穩(wěn)定桿疲勞分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2008(17):69 -7.

［6］李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench 設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［7］商躍進(jìn)，王紅. 有限元原理與ANSYS 實(shí)踐［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2012.

［8］付大鵬，魏圣可.基于離心泵半開式葉輪的五軸數(shù)控加工技術(shù)研究［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(3):23 -26.

［9］張海波，黎甜，白賀.基于Cimatron E 的離心泵蝸殼數(shù)控加工技術(shù)研究［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(3)1-4.

［10］樂天聰. 某轎車懸架控制臂有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2009.

［11］高遠(yuǎn)，范健文，譚光興.汽車懸架系統(tǒng)混沌運(yùn)動(dòng)的自適應(yīng)反演滑?？刂疲跩］. 中國機(jī)械工程，2013，24 (11):1531 -1536.