基于ANSYS的四種汽車運行工況下擺臂有限元分析

呂新飛

摘 要：對某款汽車前懸架擺臂的四種工況進行模型建立并通過ANSYS對模型進行了有限元分析，通過分析發(fā)現(xiàn)了該類擺臂的問題兵進行了相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在條件相同的情況下，對優(yōu)化后的部件進行有限元分析，與改進前比對進行了相關(guān)驗證，對提高懸架的擺臂的抗疲勞性與結(jié)構(gòu)強度起到了現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：ANSYS;汽車;擺臂

引言：擺臂是懸架的導(dǎo)向和支撐，在行駛過程中，擺臂承受著縱向力和橫向力，與支架間形成雙方向的力矩，長時間工作將加劇其疲勞度，甚至引發(fā)斷裂。懸架擺臂如果失效，將影響汽車各項性能的正常發(fā)揮，尤其是車輪的回轉(zhuǎn);而擺臂一旦在行駛過程中發(fā)生斷裂，勢必會導(dǎo)致汽車運行穩(wěn)定性的崩潰，造成嚴重的事故。在對擺臂進行設(shè)計時，不僅要考慮當前汽車零部件輕量化問題，更重要的是要合理的力學(xué)分析設(shè)計保證其性能的可靠。本文針對當前較為普遍的三點式擺臂進行有限元分析，在四種工況的情況下，針對薄弱部位進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在與前分析結(jié)果進行比對，得到了相關(guān)合理性建議[1]。

一、材料與屬性

QSTE420為細晶粒鋼，用于要求良好的冷成型性能并有較高或高強度要求的汽車大梁、橫梁等汽車結(jié)構(gòu)件。在這里用來制作汽車懸架擺臂，表1介紹了此類鋼部分力學(xué)性能。[2]

二、受力分析

在汽車常用的行駛工況，分為以下四種類型：垂直滿載，最大減速度制動，最大側(cè)向加速度轉(zhuǎn)向，凹凸路面。垂直滿載工況下，汽車處于滿載靜態(tài)，由于重力作用，擺臂主要受到垂向力;最大減速度制動工況下，由于慣性，車輛減速擺臂受到最大縱向制動力;最大側(cè)向加速度轉(zhuǎn)向工況下，由于離心力的影響，在擺臂上的表現(xiàn)為最大側(cè)向力;凹凸路面工況下，擺臂工作情況較為復(fù)雜（凹凸路面力方向的時間變化），同時受到縱向、垂向與側(cè)向力。在接下來的ansys分析中，本文將查詢到的力數(shù)據(jù)，如表2所示，分別加載到對應(yīng)工況上，得到對應(yīng)工況的擺臂的應(yīng)力集中與形變狀況。[3]

三、約束條件

擺臂作為連接懸架與車架的紐帶，其實際運動受到限制，主要表現(xiàn)在只能繞著軸線轉(zhuǎn)動。在用ansys進行分析時，需要添加約束使其只能繞著x軸（軸線）轉(zhuǎn)動，限制其空間自由度維持在1，約束住其在y，z的移動轉(zhuǎn)動和在x軸上的移動，得到近似其實際運動的模擬。

四、分析結(jié)果

不難發(fā)現(xiàn)，在四種工況下，應(yīng)力云圖沒有明顯的差距，較大應(yīng)力基本都集中在擺臂橫向長度最短處，也是最容易發(fā)生斷裂處;不同的是應(yīng)力集中區(qū)域有差異，最大應(yīng)力：垂直滿載最大應(yīng)力6783.3MPa，最大減速度制動最大應(yīng)力為14290MPa，最大側(cè)向加速度轉(zhuǎn)向最大應(yīng)力為4247.8MPa， 凹凸路面最大應(yīng)力為4547MPa，由此得到最大應(yīng)力為14290MPa，發(fā)生在凹凸路面。應(yīng)變云圖上，擺臂的伸出部分作為主要運動項最易發(fā)生變形，尤其是與其他構(gòu)件的鉸接處。垂直滿載最大應(yīng)變18.168，最大減速度制動最大應(yīng)變?yōu)?1.095，最大側(cè)向加速度轉(zhuǎn)向最大應(yīng)變?yōu)?0.38， 凹凸路面最大應(yīng)變?yōu)?0.531，最大應(yīng)變發(fā)生在垂直滿載工況下。

五、擺臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化驗證及驗證

對擺臂進行有限元分析后我們可以發(fā)現(xiàn)斷裂帶的主要原因在于結(jié)構(gòu)的區(qū)域性剛強度不足，需要對部分區(qū)域進行加強。結(jié)合圖表我們可以得到擺臂最薄弱處即為橫向距離最短處[4]，為了不影響擺臂原先的輕量化目的，在該處進行了加強筋的設(shè)計（焊接連接），分散過剩應(yīng)力[5]，材料的性質(zhì)不變。加強筋的重量占整體擺臂的重量較小，故對擺臂輕量化設(shè)計的初衷沒有太大的影響。按照相同的網(wǎng)格劃分對其進行有限元分析（圖2）。不難發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化以后，在凹凸路面的工況下加載力發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力更加分散，最大應(yīng)力也相應(yīng)降到4322.5MPa，斷裂處也發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)移，可判定擺臂的安全性有所提高，結(jié)構(gòu)強度有了顯著的加強。

六、結(jié)束語

對擺臂進行有限元分析，雖然本文詳細了所經(jīng)歷的四種工況，但與車輛實際行駛所經(jīng)歷的狀態(tài)相比忽略了一些無直接影響的因素，未曾考慮空氣阻力的對抗，沒有給出突發(fā)情況的考慮分析。同時本文只是在分析上給出了改善方案，還缺少試驗的驗證，可能還有隱藏的問題，付諸實際還需要進行專門的實驗。不過通過結(jié)構(gòu)改進及強化后，擺臂孔一側(cè)的應(yīng)力有所下降，應(yīng)力不再過分集中，可初步判定擺臂結(jié)構(gòu)安全性有所提高。

參考文獻：

[1]黃維平，楊永春，陳常龍.結(jié)構(gòu)有限元分析基礎(chǔ)及ANSYS應(yīng)用[M].北京：中國鐵道出版社，2017.

[2]胡建軍，何東偉，等.某汽車懸架擺臂有限元分析及疲勞試驗驗證[J].機電一體化，2018（1）：52-54.

[3]彭光旭，趙樹恩.雙橫臂式獨立懸架下擺臂的輕量化設(shè)計[J].廈門理工學(xué)院學(xué)報，2017，25（1）：38-43

[4]樂天聰.某轎車懸架控制臂有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].長春：吉林大學(xué)，2009： 13-19.

[5]練森標某客車前懸架運動性能及擺臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].南昌：南昌大學(xué)，2014：21-27.