基于Hypermesh的某副車架強(qiáng)度有限元分析

方 駿，朱佳豪，王東生，邢時(shí)超

基于Hypermesh的某副車架強(qiáng)度有限元分析

方 駿1,2,3，朱佳豪1，王東生1，邢時(shí)超1

（1.銅陵學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院；2.工程液壓機(jī)器人安徽普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.銅陵市增材制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 銅陵 244100）

為了校核某公司副車架是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，課題組采用Solidworks建立該副車架的三維模型，導(dǎo)入Hypermesh，利用Hypermesh建立副車架的網(wǎng)格及螺栓模型，采用Abaqus軟件對(duì)副車架垂直沖擊，對(duì)轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎制動(dòng)、對(duì)扭（左前右后上跳100mm）、前輪越障工況下靜載的強(qiáng)度進(jìn)行虛擬仿真研究，分析和推導(dǎo)出第四強(qiáng)度理論，計(jì)算出副車架在多種工況下受到的最大應(yīng)力。依據(jù)有限元分析的結(jié)果，多種工況下，最大應(yīng)力為236.9 MPa，副車架受到的最大應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度值，最大應(yīng)力主要分布于下擺安裝板燒焊區(qū)域，因此，課題組提出在副車架燒焊區(qū)域設(shè)置加強(qiáng)板、增加材料的厚度作為改進(jìn)設(shè)計(jì)方向的建議，為副車架的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論參考。

副車架；有限元法；HyperMesh；強(qiáng)度分析

副車架作為汽車重要組成部分，其主要功能是安裝懸架擺臂件和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等支撐部件，汽車正常行駛時(shí),副車架將承受多種激勵(lì)傳遞到車身，副車架固有頻率會(huì)引起共振現(xiàn)象，當(dāng)共振達(dá)到一定的程度時(shí)，會(huì)引起副車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度被破壞，直接影響車輛的安全行駛，其強(qiáng)度還對(duì)汽車的舒適性、駕駛操作性、平順性及壽命有著較大的影響，因此，汽車副車架的強(qiáng)度直接影響汽車的安全性能[1–2]。

本文以某公司設(shè)計(jì)階段的副車架為研究對(duì)象。基于Hyperworks與Abaqus協(xié)同的仿真能力，直接讀入副車架的零部件模型，分析和推導(dǎo)出第四強(qiáng)度理論，再采用Qptistruct求解器對(duì)汽車副車架多種極限工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真模擬，根據(jù)廠家提供的汽車副車架性能方面的要求，對(duì)比有限元分析的結(jié)果和材料屬性，確定計(jì)算結(jié)果是否在理論的范圍內(nèi)，驗(yàn)證數(shù)值模擬仿真模型的準(zhǔn)確性，為汽車副車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供合理的理論依據(jù)[3]。

1 副車架材料力學(xué)基本理論

彈性力學(xué)基本方程可應(yīng)用于求解副車架應(yīng)力、應(yīng)變以及外力之間的關(guān)系，其主要的內(nèi)容為平衡方程、幾何方程和物理方程[3]，在結(jié)構(gòu)初期進(jìn)行副車架力學(xué)基本理論分析可有效避免設(shè)計(jì)缺陷[4]。

1.1 平衡方程

平衡方程主要分析彈性體在受到外力的作用下仍保持平衡狀態(tài)，因此，在x、y、z方向上所受到的應(yīng)力須滿足下列平衡方程[5]：

式（1）中P、P、P表示重力可以分解為x、y、z坐標(biāo)上分量；σ、σ、σ為x、y、z坐標(biāo)面的應(yīng)力；τ為x坐標(biāo)面上沿y方向切應(yīng)力；τ為x坐標(biāo)面上沿z方向切應(yīng)力；τ為y坐標(biāo)面上沿z方向切應(yīng)力。

1.2 幾何方程

幾何方程描述微分體中應(yīng)變分量、位移分量間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過如下形式的矩陣表達(dá)：

1.3 物理方程

物理方程描述微分中體應(yīng)力分量、應(yīng)變分量間的數(shù)學(xué)關(guān)系，此關(guān)系與材料屬性有關(guān)，通過如下六個(gè)數(shù)學(xué)方程式表達(dá)：

在式（3）中，為材料的彈性模量；為材料的泊松比；為材料的切變量彈性模量。

、和之間有如下關(guān)系：

通過式（3）中的前3個(gè)方程式可得σσσ，后3個(gè)方程式可得τττ，并將式（4）彈性模量和切變量彈性模量關(guān)系代入物理方程后，用列向量{}表示應(yīng)力分量，用列向量{}表示應(yīng)變分量，可得應(yīng)力分量與應(yīng)變分量數(shù)學(xué)關(guān)系：

式中[]為材料的彈性矩陣，如下式所示：

式（6）中[]為材料的彈性矩陣；為材料的彈性模量；為材料的泊松比。

對(duì)上面的方程進(jìn)行求解，本文有限元法主要采用以三個(gè)主應(yīng)力分量為基本未知量的應(yīng)力法，靜力學(xué)分析中判斷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)一般選擇Von Mises等效應(yīng)力，按照第四強(qiáng)度理論[5–6]，則其表達(dá)式為：

式（7）中1、2、3為第一、二、三主應(yīng)力；s為Von Mises等效應(yīng)力。

強(qiáng)度校核表達(dá)式為：

式（8）中[]為材料許用應(yīng)力。

2 副車架有限元模型的建立

2.1 網(wǎng)格劃分

本文副車架是薄殼單元結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格劃分可以利用Hypermesh對(duì)薄殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，網(wǎng)格劃分是四邊形和三角形混合使用單元，其中四邊形單元網(wǎng)格比例較大，三角形單元作為滿足輔助需要。整個(gè)單元尺寸為5mm，副車架結(jié)點(diǎn)總數(shù)為73586，單元總數(shù)為有73154[7]。有限元模型見圖1。

圖1 副車架有限元模型

2.2 副車架材料特性

考慮到汽車副車架是在不同的工況進(jìn)行工作，要求材料具有足夠的剛度和強(qiáng)度，因此副車架的材料選取十分重要。本文選取副車架材料為20#和Q235，其具體參數(shù)包括幾項(xiàng)主要特征[8]，如下表1所示。

表1 副車架材料特性

2.3 連接關(guān)系模擬

2.3.1 焊點(diǎn)的模擬

汽車副車架由大小各異、形狀不同的沖壓部件通過焊接方式組成，對(duì)焊縫組織有較高要求，因此要對(duì)焊縫連接關(guān)系進(jìn)行不同的模擬。在對(duì)副車架進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，單獨(dú)對(duì)焊縫的位置一維剛性單元模擬，本文采用四邊形殼單元對(duì)主要受力零部件焊縫位置進(jìn)行模擬，能夠精確地模擬焊縫的應(yīng)力分布[5]，如圖2所示。

圖2 通過殼單元進(jìn)行焊點(diǎn)模擬

2.3.2 螺栓的模擬

汽車副車架在強(qiáng)度分析中，汽車副車架的零部件是用螺栓連接，螺栓連接部位承受剪力、拉力，因此對(duì)螺栓模擬十分關(guān)鍵。本文采用兩種方式進(jìn)行螺栓模擬，一種是直接使用Hypermesh中Bolt Connectors對(duì)螺栓進(jìn)行模擬，分析應(yīng)力分布；另一種是采用螺栓剛性單元對(duì)螺栓孔邊緣的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)對(duì)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的分析進(jìn)行螺栓模擬[5]，如圖3所示。

圖3 螺栓的模擬

2.4 邊界條件

在有限元法中及時(shí)準(zhǔn)地處理邊界條件，能夠保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。如果邊界條件未根據(jù)受載情況，與實(shí)際情況有著很大的偏差，就會(huì)產(chǎn)生計(jì)算誤差，甚至導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算過程失敗。任何零部件在有限元分析中都必須進(jìn)行邊界條件的有效判斷，否則分析結(jié)構(gòu)剛體會(huì)產(chǎn)生位移。

在計(jì)算中，為了求出節(jié)點(diǎn)位移，減小總剛度矩陣的奇異性的影響，如果約束兩支座處節(jié)點(diǎn)，限制X及Z軸運(yùn)動(dòng)，消除車架的剛體位，就可求出變形引起的節(jié)點(diǎn)位移，此時(shí)車架內(nèi)的應(yīng)力不受影響。

3 副車架有限元分析及計(jì)算結(jié)果

3.1 工況描述

根據(jù)實(shí)際工況對(duì)支架施加約束，螺栓等采用剛性單元連接的方式，這種方式與實(shí)際情況比較類似。對(duì)各種典型工況下的載荷Abaqus進(jìn)行求解[9–10]，汽車的六種典型工況見表2。

表2 汽車六種典型工況

3.2 計(jì)算結(jié)果

垂直沖擊工況：ag=-3g應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示。最大應(yīng)力位置位于下擺臂安裝板與管梁燒焊區(qū)域，最大應(yīng)力為111.2MPa。

圖4 垂直沖擊工況應(yīng)變?cè)茍D

轉(zhuǎn)彎工況：ay=0.8g，az=-1g應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。最大應(yīng)力位置位于管梁根部安裝板與車身連接區(qū)域，最大應(yīng)力為228.1MPa。

圖5 轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)變?cè)茍D

前進(jìn)制動(dòng)工況：ax=-1g，az=-1g應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示，最大應(yīng)力位置位于管梁與下擺安裝板燒焊區(qū)域，最大應(yīng)力為203.7MPa。

圖6 前進(jìn)制動(dòng)工況應(yīng)變?cè)茍D

轉(zhuǎn)彎制動(dòng)：ax=-0.7gay=0.4g，az=-1g應(yīng)變?cè)茍D如圖7所示，最大應(yīng)力位置位于管梁與下擺臂安裝板燒焊區(qū)域，最大應(yīng)力185.1MPa。

圖7 轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況應(yīng)變?cè)茍D

對(duì)扭：左前右后上跳140mm應(yīng)變?cè)茍D如圖8所示，最大應(yīng)力位置位于穩(wěn)定桿連接板與管梁燒焊區(qū)域，最大應(yīng)力為197.3MPa。

圖8 對(duì)扭工況應(yīng)變?cè)茍D

前輪越障：Z-1gX1.5g應(yīng)變?cè)茍D如圖9所示，最大應(yīng)力位置位于管梁與下擺臂安裝板燒焊區(qū)域，最大應(yīng)力236.9MPa。

圖9 前輪越障工況應(yīng)變?cè)茍D

各工況的分析最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示.。

表3 副車架各工況計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

采用HyperMesh及Abaqus軟件對(duì)副車架六種典型工況進(jìn)行有限元分析，得到六種典型工況下應(yīng)變?cè)茍D。計(jì)算結(jié)果表明，各工況下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力分別為111.2、228.1、203.7、185.1、197.3和236.9 MPa，垂直沖擊及對(duì)扭工況下應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度468MPa，符合設(shè)計(jì)要求；轉(zhuǎn)彎工況、前進(jìn)制動(dòng)和前輪越障工況下應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度468MPa，符合設(shè)計(jì)要求。最大應(yīng)力主要分布于下擺安裝板燒焊區(qū)域，為了防止在汽車行駛過程中強(qiáng)度薄弱的位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，或引起的斷開，可在相關(guān)優(yōu)化區(qū)域添加加強(qiáng)板、提高材料的厚度或使用屈服強(qiáng)度更大的材料，進(jìn)一步提高副車架的強(qiáng)度性能。

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Finite Element Analysis of A Subframe Strength Based on Hypermesh

FANG Jun1,2,3, ZHU Jia-hao1, WANG Dong-sheng1, XING Shi-chao1

(1. College of Mechanical Engineering, Tongling University; 2. Key Laboratory of Engineering Hydraulic Robots in Anhui Higher Education Institutes; 3.Tongling Municipal Key-Laboratory of Additive Manufacturing, Tongling, AnHui 244100, China)

In order to check whether the subframe of a company meets the design specification, the group used Solidworks to build the 3D model of the subframe, imported into Hypermesh to establish the mesh and bolt model of the subframe, used Abaqus to crash the subframe vertically as virtual simulation to study turning, forward braking, cornering braking, torsion (running 100mm from left front, right back and upward), and the static load strength while front wheel crossing obstacles. By analyzing and deducing the fourth strength theory, the maximum stress of the subframe under various working conditions is calculated. According to the results of finite element analysis, the maximum stress under various working conditions is 236.9 MPa, and the maximum stress of the subframe is less than the yield strength value of the material, and the maximum stress is mainly distributed in the welding area of the hem mounting plate. Therefore, to provide theoretical reference for further optimization of the subframe, it is suggested that, as an improvement design direction, a reinforcement plate should be set up in the welding area and the material should add thickness

subframe; finite element method; HyperMesh; strength analysis

U463.324

A

2095-9249（2021）06-0035-05

2021-05-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51205198）；安徽省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2008085ME149)；安徽省高校學(xué)科（專業(yè)）拔尖人才學(xué)術(shù)資助項(xiàng)目(gxbjZD2020087)；安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2021A1058）

方駿（1990—），男，安徽銅陵人，助教，碩士，研究方向：智能優(yōu)化算法與CAE仿真研究。

王東生(1978—)，男，安徽銅陵人，教授，博士，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)，E-mail：wangdongsheng@tlu.edu.cn。

〔責(zé)任編校：吳侃民〕