基于CATIA對(duì)商用車(chē)轉(zhuǎn)向器殼體的CAE靜態(tài)分析

虞忠潮　鄒理炎

摘 要：CATIA是汽車(chē)及汽車(chē)零部件廠家廣泛應(yīng)用的三維軟件之一，商用車(chē)轉(zhuǎn)向器殼體有時(shí)形狀不規(guī)則，用常規(guī)公式計(jì)算真實(shí)應(yīng)力分布情況比較困難，用CATIA建立其三維模型及有限元模型，對(duì)殼體在最大壓力工況下進(jìn)行靜態(tài)CAE分析，得到最大應(yīng)力值及分布情況，從而對(duì)殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向器殼體；CATIA；CAE分析；輕量化設(shè)計(jì)

引言

文章闡述是用CATIA軟件對(duì)商用車(chē)轉(zhuǎn)向器殼體作CAE靜態(tài)分析的應(yīng)用實(shí)例。眾所周知，汽車(chē)轉(zhuǎn)向器是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，更是整車(chē)的安全件之一。現(xiàn)如今，前橋負(fù)荷1.5噸以上的商用車(chē)幾乎都用上了液壓助力轉(zhuǎn)向器，其中殼體是轉(zhuǎn)向器的缸體，一方面承擔(dān)著高壓油，一方面需與整車(chē)聯(lián)接，起到保壓及固定轉(zhuǎn)向器的作用，尤其是支架部位有時(shí)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，面臨強(qiáng)度要求和輕量化設(shè)計(jì)的矛盾，故對(duì)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行有限元分析顯得尤為重要。

1 轉(zhuǎn)向器殼體三維模型、有限元模型的建立

利用CATIA軟件的零件設(shè)計(jì)模塊，通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、開(kāi)孔等實(shí)體工具建立轉(zhuǎn)向器殼體三維模型，從圖1中可以看出，殼體主要由活塞缸體、輸出軸箱體、安裝支架組成。也可以看出，汽車(chē)轉(zhuǎn)向器殼體空間結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，且支架過(guò)渡部分形狀不規(guī)則。這里需要說(shuō)明的是，轉(zhuǎn)向器殼體上一些螺紋、工藝凸臺(tái)、工藝小孔等結(jié)構(gòu)，在做三維模型時(shí)已經(jīng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，因?yàn)樵贑ATIA做CAE分析時(shí)，太過(guò)復(fù)雜且細(xì)小的結(jié)構(gòu)會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算，所以在做有限元分析時(shí)，根據(jù)需要對(duì)局部特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到有利于有限元網(wǎng)格劃分的三維模型是很有必要的。然后即通過(guò)CATIA分析與模擬模塊生成網(wǎng)格模型，網(wǎng)格的劃分也是有限元分析的重要過(guò)程，網(wǎng)格的類(lèi)型、大小對(duì)后續(xù)計(jì)算的精度和速度有較大影響，此處設(shè)為四面體網(wǎng)格，大小為4mm，有限元模型見(jiàn)圖2所示。當(dāng)然在網(wǎng)格劃分前，需要設(shè)置殼體的材質(zhì)屬性，如彈性模量、泊松比等參數(shù)，本例給出殼體材料信息，見(jiàn)表1。

2 轉(zhuǎn)向器殼體載荷的施加與固定

殼體承受載荷應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向器在最大油壓下輸出軸扇齒兩側(cè)的軸承受力來(lái)確定其大小及工況方位，文章不講述此處計(jì)算過(guò)程，根據(jù)相關(guān)計(jì)算可得FI=60198N，F(xiàn)2=30473N，轉(zhuǎn)向器額定壓力10MPa，殼體支架四個(gè)孔及端面固定，基于轉(zhuǎn)向器在左右極限位置的受力方向，設(shè)定兩個(gè)工況如圖3所示。

3 計(jì)算結(jié)果的輸出及分析改進(jìn)

圖4所示為Von Mises等效應(yīng)力云圖，從中也可以看出，汽車(chē)轉(zhuǎn)向器殼體在最大受力時(shí)，局部最高應(yīng)力已達(dá)到425MPa，超過(guò)了球墨鑄鐵QT450-10的屈服強(qiáng)度，從CAE計(jì)算結(jié)果來(lái)看，轉(zhuǎn)向器殼體應(yīng)力多集中在支架局部形狀過(guò)渡區(qū)域，這與國(guó)內(nèi)某轉(zhuǎn)向器廠家對(duì)此類(lèi)轉(zhuǎn)向器殼體售后故障的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相吻合，根據(jù)此計(jì)算結(jié)果可以通過(guò)加大鑄造圓角和加大強(qiáng)度來(lái)改善殼體此處的應(yīng)力。對(duì)于應(yīng)力較小的區(qū)域可以進(jìn)行減材料，以達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)CATIA中的有限元分析模塊，對(duì)轉(zhuǎn)向器殼體進(jìn)行兩種最大工況的下的靜態(tài)分析，得出與實(shí)際故障相近的應(yīng)力集中區(qū)域與數(shù)值，說(shuō)明筆者通過(guò)CATIA軟件來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)向器殼體建模及作CAE分析是值得借鑒的。

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