懸架強(qiáng)度分析方法

張振力 王連順 李兆國

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

在汽車產(chǎn)品的研制過程中，需要對(duì)零部件進(jìn)行大量的強(qiáng)度與耐久性試驗(yàn)，包括臺(tái)架試驗(yàn)和整車道路試驗(yàn)，這些試驗(yàn)不僅試驗(yàn)費(fèi)用高、周期長，而且問題大多是出現(xiàn)在產(chǎn)品具備樣件之后，對(duì)設(shè)計(jì)更改帶來一定的難度。通過有限元分析，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期或產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)前對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行粗略評(píng)價(jià)，找到結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，提出合理的改進(jìn)方案。

1 懸架強(qiáng)度分析原因

強(qiáng)度分析的內(nèi)容是反映結(jié)構(gòu)抵抗破壞能力的一種標(biāo)志，進(jìn)行懸架強(qiáng)度分析是因?yàn)樗衼碜月访娴妮d荷都要由懸架作用至車架或車身。懸架是汽車重要的承載部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是設(shè)計(jì)過程中需關(guān)注的重要內(nèi)容之一[1]。懸架必須要滿足一定的強(qiáng)度要求。

2 懸架強(qiáng)度分析常用方法

懸架強(qiáng)度分析常用的2種方法為：零部件級(jí)分析方法和系統(tǒng)級(jí)分析方法。

2.1 零部件級(jí)分析方法

采用多體動(dòng)力學(xué)方法得到懸架硬點(diǎn)載荷，對(duì)單一結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的方法稱為零部件級(jí)分析。零部件級(jí)分析方法原理簡單，而且容易將分析過程流程化、規(guī)范化，從而保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。一般來說，在整車開發(fā)的初期，最初確定的是一些重要硬點(diǎn)（部件與部件之間的連接點(diǎn)）的位置及相關(guān)參數(shù)，然后由設(shè)計(jì)人員根據(jù)這些信息對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行初步概念設(shè)計(jì)，在此階段需要對(duì)單個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐久性進(jìn)行分析，并針對(duì)存在的問題提出改進(jìn)意見，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使之逐步趨于合理。

2.1.1 零部件分析的優(yōu)點(diǎn)

從分析規(guī)模上來看，單個(gè)零部件分析的計(jì)算時(shí)間短，占用空間小，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求不高，比較適合于設(shè)計(jì)初期結(jié)構(gòu)改進(jìn)中的多次反復(fù)分析驗(yàn)證。

2.1.2 零部件分析的缺點(diǎn)

首先，對(duì)于大多數(shù)底盤零部件的分析來說，需要相關(guān)的受力分析提供載荷輸入，可以通過多體動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算輸出得到相關(guān)硬點(diǎn)的載荷。其次，在單個(gè)零部件的分析中，邊界條件是一個(gè)很難處理的問題。邊界條件的正確與否，直接影響到分析結(jié)果的可信度。因此，零部件級(jí)方法要求分析人員對(duì)分析對(duì)象的各種特征、連接關(guān)系以及作用等有深刻的認(rèn)識(shí)。最后，當(dāng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過材料的屈服極限時(shí)，該方法不能給出正確的分析結(jié)果。這是因?yàn)槎囿w動(dòng)力學(xué)不能考慮結(jié)構(gòu)本身的塑性變形，多體動(dòng)力學(xué)即使引入柔性體[2]，也僅限于線彈性變形范圍，因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形時(shí)，應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)方法無法得到正確的載荷數(shù)據(jù)，更無法保證應(yīng)力結(jié)果的正確性。

2.1.3 零部件強(qiáng)度分析思路

獲取整車相關(guān)參數(shù)→建立前/后懸架（或整車）的多體模型→動(dòng)力學(xué)分析提取硬點(diǎn)載荷→代入有限元模型中分析求解。

2.2 系統(tǒng)級(jí)分析方法

以整個(gè)懸架為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮襯套、限位塊剛度以及零部件間相互運(yùn)動(dòng)的影響的分析方法稱為系統(tǒng)級(jí)分析方法。系統(tǒng)級(jí)分析方法由于能夠考慮幾乎所有的懸架本身特性，如非線性連接關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系等特性[3]，因而可以得到更為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。單個(gè)零部件的分析只能考察零部件的品質(zhì)，很多零部件連接在一起，構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)后，還要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行分析，即系統(tǒng)總成分析。一般來說，系統(tǒng)總成的分析是在系統(tǒng)各個(gè)零部件的幾何模型確定后進(jìn)行的。

2.2.1 系統(tǒng)總成分析的優(yōu)點(diǎn)

在系統(tǒng)總成的分析中，各個(gè)零部件都是以柔性體的形式存在，可以考慮各個(gè)零部件的變形對(duì)其他相鄰部件的影響，同時(shí)部件與部件連接處的模擬更接近真實(shí)情況，因此與單個(gè)零部件分析相比，總成分析的結(jié)果精度更高，指導(dǎo)意義更大。另外，從邊界和載荷條件來看，系統(tǒng)總成的約束條件比較簡單，工況載荷比較容易計(jì)算。在懸架總成分析中，只需要對(duì)懸架與車身的連接點(diǎn)進(jìn)行約束就可以了，載荷主要作用在車輪中心，根據(jù)整車的相關(guān)參數(shù)可以很容易求得。

2.2.2 系統(tǒng)總成分析的缺點(diǎn)

在系統(tǒng)總成分析中，需要提供比較準(zhǔn)確的彈性元件參數(shù)，比如橡膠襯套和彈簧，這些參數(shù)的準(zhǔn)確與否直接影響著載荷在各個(gè)連接點(diǎn)的分配，進(jìn)而影響各零部件的應(yīng)力分布。另外，就系統(tǒng)總成的分析模型而言，其規(guī)模一般都很大，計(jì)算時(shí)間長，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求高。

2.2.3 系統(tǒng)總成分析思路

收集系統(tǒng)的模型參數(shù)（包括整車相關(guān)參數(shù)、各零部件的幾何模型和連接單元的剛度參數(shù)等）→建立各零部件的有限元模型→系統(tǒng)總成建模→（主要是建立各零部件之間的連接關(guān)系）和邊界載荷條件的建立→分析求解。

3 零部件級(jí)分析方法與系統(tǒng)級(jí)分析方法對(duì)比

3.1 零部件分析方法應(yīng)用

以某車型控制臂為例，分別應(yīng)用零部件和總成分析方法進(jìn)行了5種工況的計(jì)算，全部統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表1所示，最大百分比誤差小于7%。本例中控制臂的屈服極限大于400 MPa。計(jì)算結(jié)果對(duì)比，如表1所示。

表1 控制臂強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)控制臂強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，結(jié)合零部件級(jí)分析應(yīng)力云圖和系統(tǒng)級(jí)分析應(yīng)力云圖，如圖1和圖2所示可得出：在零部件的屈服極限內(nèi)，零部件級(jí)分析與系統(tǒng)級(jí)分析結(jié)果相差較小。但零部件級(jí)分析的特點(diǎn)是零部件計(jì)算時(shí)間短、占用空間小、對(duì)計(jì)算機(jī)要求不高，所以在前期建議使用零部件級(jí)分析方法對(duì)單零部件進(jìn)行分析，有效縮短分析時(shí)間。

3.2 系統(tǒng)級(jí)分析方法應(yīng)用

麥弗遜懸架中的下擺臂是懸架系統(tǒng)中導(dǎo)向與傳力的主要部件之一，它一端通過橡膠襯套與副車架相連，另一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，工作中受力的邊界條件比較復(fù)雜。因此，可以建立剛?cè)狁詈系亩囿w動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示。根據(jù)不同工況，為計(jì)算分析提供準(zhǔn)確的邊界條件。多體系統(tǒng)采用MSC ADAMS2005r2作為建模工具，在view環(huán)境下建立包含擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、橫拉桿、滑柱等元件的前懸架動(dòng)力學(xué)模型[4]。模型以多剛體模型為基礎(chǔ)，而后輸入擺臂各方案的有限元模型，替換剛性擺臂，采用剛?cè)狁詈戏治龇椒▉碛?jì)算擺臂所受載荷。為使對(duì)比更加明確，體現(xiàn)出系統(tǒng)分析方法的準(zhǔn)確性，原方案擺臂球銷座和擺臂連接軸分別采用了六面體單元，擺臂上下本體采用殼單元，并按要求進(jìn)行焊接連接，如圖4所示。方案1采用與原方案相同的材料，為簡化采用二階次四面體單元，如圖5所示。方案2更換材料及工藝，采用45#鋼鍛造，如圖6所示。

根據(jù)以上零部件材料及工藝定義，采用剛?cè)狁詈戏治龇椒▉碛?jì)算擺臂所受靜態(tài)載荷[5-6]，設(shè)定工況如下：

工況1：靜態(tài)工況垂向3 g加速度（輪胎接地點(diǎn)加載）；

工況2：縱向工況1.5 g加速度（輪心加載）；

工況3：橫向工況1 g加速度（輪心加載）。

原方案與新方案1采用同樣的材料，屈服極限260 MPa，新方案2采用45號(hào)#，屈服極限330 MPa。設(shè)定工況后得到擺臂球銷鉸接點(diǎn)載荷,如表2所示。

表2 擺臂球銷鉸接點(diǎn)載荷數(shù)據(jù) N

將得到的載荷輸入到MSC·NASTRAN中，計(jì)算擺臂在各工況下的應(yīng)力分布，此分析視實(shí)際主要考察了1.5 g加速度工況下的擺臂應(yīng)力水平，3種方案通過NASTRAN計(jì)算得到應(yīng)力云圖，如圖7～圖9所示。

根據(jù)求得的載荷，利用有限元軟件NASTRAN計(jì)算得到的應(yīng)力云圖可以看出，原方案在破壞處的應(yīng)力為250 MPa，接近材料的屈服極限，如圖7所示；方案1較原方案在實(shí)際破壞處的應(yīng)力降低到136 MPa，在現(xiàn)危險(xiǎn)處降低到206 MPa，如圖8所示；方案2較原方案在實(shí)際破壞處的應(yīng)力降低到103 MPa，現(xiàn)危險(xiǎn)處的應(yīng)力為237 MPa，小于該材料的屈服強(qiáng)度，如圖9所示。通過對(duì)3種方案分析對(duì)比，體現(xiàn)出系統(tǒng)分析方法的精確性，利用系統(tǒng)分析方法為零部件選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.3 零部件級(jí)分析方法與系統(tǒng)級(jí)分析方法總結(jié)

在概念設(shè)計(jì)或者產(chǎn)品開發(fā)初期，通常缺少準(zhǔn)確的載荷譜，大多采用標(biāo)準(zhǔn)工況做應(yīng)力計(jì)算，根據(jù)一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估，可采用零部件級(jí)分析方法。在懸架模型凍結(jié)之前，此時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，需要進(jìn)行更復(fù)雜工況的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證，此時(shí)一般會(huì)涉及到結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過屈服極限的工況，如惡劣工況等，這時(shí)由于零部件分析方法本身故有的缺點(diǎn)，該方法已經(jīng)不能得到滿足要求的應(yīng)力結(jié)果，需要采用總成分析方法。

4 結(jié)論

綜上，為了分析效率并兼顧計(jì)算精度，按照產(chǎn)品開發(fā)周期劃分，建議在概念設(shè)計(jì)階段（可以獲得相關(guān)結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云模型）采用零部件級(jí)分析方法，此時(shí)結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系和一些橡膠襯套的參數(shù)還沒有確定，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系還沒有完全確定下來，而在設(shè)計(jì)后期，此時(shí)各參數(shù)和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系已經(jīng)確定，采用系統(tǒng)級(jí)分析方法得到更為精確的分析結(jié)果，以充分發(fā)揮有限元分析在產(chǎn)品開發(fā)中的作用，更好地滿足項(xiàng)目研發(fā)需求。