基于Abaqus的轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)向球銷裝配變形的有限元分析

劉杰 郭聰蘭

摘 要：針對某車型轉(zhuǎn)向球銷與轉(zhuǎn)向節(jié)裝配后球銷軸向位移過大問題，利用Abaqus/Explicit建立轉(zhuǎn)向節(jié)與球銷的顯式積分有限元分析模型。在不同的軸向力與錐孔面摩擦系數(shù)條件下，通過對轉(zhuǎn)向節(jié)錐孔面的Mises平均應(yīng)力分布情況、塑性變形量及表面正壓力分布進(jìn)行分析，得出影響塑性變形的因素。

關(guān)鍵詞：Abaqus；應(yīng)力；有限元分析；塑性變形；摩擦系數(shù)

1 概述

在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向球銷實(shí)際裝配過程中，由于球銷固定螺母擰緊力矩過大或配合面摩擦系數(shù)設(shè)計不合理，裝配后球銷沿轉(zhuǎn)向節(jié)錐孔方向位移過大，導(dǎo)致球銷鎖緊軸無法鎖緊。因此，在不同軸向預(yù)緊力及摩擦系數(shù)條件下，了解球銷與轉(zhuǎn)向節(jié)錐孔面的應(yīng)力分布、表面壓力、塑性變形情況是合理設(shè)計該產(chǎn)品的有效途徑。

文章采用Abaqus/Explicit建立轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向球銷裝配的顯示積分有限元模型，模擬不同球銷預(yù)緊力與不同摩擦系數(shù)條件下轉(zhuǎn)向節(jié)錐面塑性變化情況。

2 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型的建立

有限元模型在Abaqus中進(jìn)行前處理，去除過小的倒角，由于考察部位位于轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔與球銷接觸面位置，而且只分析單一軸向力作用下錐孔的拉大行為，故對某車型轉(zhuǎn)向節(jié)模型進(jìn)行簡化，簡化前后模型如圖1所示。在球銷端面施加軸向作用力模擬螺母擰緊過程中施加在球銷上的作用力，在約束部位施加位移約束模擬螺母對轉(zhuǎn)向節(jié)臂的約束作用。

3 網(wǎng)格劃分

考慮模型簡化后的對稱性以及面接觸等因素，轉(zhuǎn)向球銷與轉(zhuǎn)向節(jié)臂均采用六面體一階單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[1-3]，單元數(shù)量5053，節(jié)點(diǎn)數(shù)量6071。

4 材料屬性

轉(zhuǎn)向球銷材料為40Cr，轉(zhuǎn)向節(jié)臂材料為QT450，其材料特性均按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)定。

5 邊界條件

轉(zhuǎn)向球銷端面受到均布載荷作用，轉(zhuǎn)向球銷與轉(zhuǎn)向節(jié)臂接觸部位建立面接觸條件，在螺母與轉(zhuǎn)向節(jié)臂接觸部位設(shè)置全固定位移約束。軸向力分別施加1.9KN、2.1KN、2.3KN、2.5KN、2.722KN五組進(jìn)行施加；接觸面屬性設(shè)定0.05、0.1、0.15、0.2四組摩擦系數(shù)μ進(jìn)行對比分析（如圖2所示）。

6 提交運(yùn)算

在ANSA中對簡化模型進(jìn)行前處理，定義材料屬性，網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)定；在Abaqus中定義接觸面屬性，設(shè)定分析步長，以及控制結(jié)果輸出選項(xiàng)；在origin中進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線繪制。

7 分析結(jié)果

（1）軸向力F=2.722KN，摩擦系數(shù)μ=0.05與μ=0.2，最大PEEQ（等效塑性應(yīng)變）約相差25倍。最大CPRESS（面正壓力）相差約543N。（2）軸向力F=2.3KN，在μ=0.2的條件下，材料內(nèi)未發(fā)生塑性變形。摩擦系數(shù)μ=0.05與μ=0.2條件下，最大CPRESS（正壓力）相差486N。（3）軸向力F=1.9KN，在μ=0.15與μ=0.2條件下，錐孔內(nèi)未發(fā)生塑性變形，摩擦系數(shù)μ=0.05與μ=0.2條件下，最大CPRESS（正壓力）相差443N。

8 結(jié)果分析

（1）在軸向力一定的條件下，考察不同摩擦系數(shù)對轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔的影響。a.隨著摩擦系數(shù)增大，轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔面上所受的最大正壓力大幅度降低，其變化趨勢基本相同。軸向力F=2.722KN時，最大正壓力相差543N；軸向力F=1.9KN時，最大正壓力相差443N。b.球銷位移隨著摩擦系數(shù)增大而減小，當(dāng)μ<0.1時，軸向位移與摩擦系數(shù)成反比例關(guān)系，且隨著摩擦系數(shù)增大急劇遞減。不同軸向力條件下，位移變化趨勢基本相同。c.轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔內(nèi)部最大等效塑性應(yīng)變PEEQ變化趨勢與位移變化趨勢基本相同，在當(dāng)μ<0.1時，等效塑性應(yīng)變PEEQ與摩擦系數(shù)呈反比例線性遞減的關(guān)系；μ>0.1時，變化趨勢趨于平緩。

（2）在摩擦系數(shù)一定的條件下，考察軸向力對轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔的影響。a.隨著軸向力的增大，面最大正應(yīng)力也增大，摩擦系數(shù)越小，增大越快。b.μ>0.1時，球銷位移與軸向力大小幾乎呈正比例線性遞增的關(guān)系；μ<0.1時，球銷位移與軸力大小呈指數(shù)遞增的關(guān)系。c.在不同摩擦系數(shù)條件下，在軸向力2.3KN附近，錐孔應(yīng)力幾乎匯聚于一點(diǎn)；當(dāng)F<2.3KN時，摩擦系數(shù)較小反而平均Mises應(yīng)力較大；當(dāng)F>2.3KN時，摩擦系數(shù)較大平均Mises應(yīng)力也較大。d.軸向力大小對錐孔塑性應(yīng)變的影響等同于軸向力對球銷位移的影響，即μ>0.1時，軸向力與等效塑性應(yīng)變呈正比例線性遞增的關(guān)系；μ<0.1時，軸向力與等效塑性應(yīng)變呈指數(shù)遞增的關(guān)系。

9 結(jié)束語

軸向力一定，球銷位移隨著摩擦系數(shù)的增大而減??；摩擦系數(shù)一定時，球銷位移隨著軸向力的增大而增大，特別是摩擦系數(shù)較小時，位移與軸向力呈指數(shù)增長關(guān)系；錐孔內(nèi)等效塑性應(yīng)變變化趨勢與位移變化趨勢基本相同。軸向力一定，錐孔面上受到的正壓力隨著摩擦系數(shù)的增大而減??；摩擦系數(shù)一定，隨著軸向力的增大而增大。軸向力一定，在μ=0.1時，平均Mises應(yīng)力取到最小值；摩擦系數(shù)一定，在軸向力F=23000N時平均應(yīng)力匯聚于一點(diǎn)，即在μ=0.1，F(xiàn)=23000時，得到最優(yōu)工況。大部分工況條件下，轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔內(nèi)應(yīng)力已經(jīng)超出材料的屈服應(yīng)力，且發(fā)生大面積塑性變形，但塑性應(yīng)變PEEQ小于目標(biāo)限制1%，滿足強(qiáng)度要求；而在F=2.722KN，μ=0.05惡劣工況下，塑性應(yīng)變PEEQ最大值為1.1%，大于目標(biāo)限制，材料出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，不滿足強(qiáng)度要求。

建議：考慮降低錐形孔內(nèi)的塑性變形量，球銷的軸向位移及錐孔內(nèi)的表面壓力，可以適當(dāng)增大轉(zhuǎn)向球銷與轉(zhuǎn)向節(jié)臂接觸面的摩擦系數(shù)；同時也可提高轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔表面梯度最大處的強(qiáng)度，抵抗塑性變形的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

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