基于HyperWorks的特種車(chē)輛搖臂有限元分析

史富增 楊增杰 趙德華

摘要：以某型特種車(chē)輛搖臂為研究對(duì)象，根據(jù)搖臂相鄰部件系統(tǒng)配合關(guān)系確定分析邊界，利用Pro/E建立搖臂三維模型，導(dǎo)入HyperWorks軟件中添加約束和載荷，利用有限元分析得到搖臂應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn)搖臂與輪系配合部位有應(yīng)力集中現(xiàn)象，如果直接生產(chǎn)制造會(huì)有安全風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)分析結(jié)果對(duì)搖臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)改進(jìn)后的模型再次進(jìn)行分析，平衡肘最大應(yīng)力從752MPa降至516MPa，與輪系配合部位應(yīng)力降至432MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。利用軟件分析工具指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提前發(fā)現(xiàn)并解決應(yīng)力集中問(wèn)題，降低新產(chǎn)品研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

Abstract： Taking a certain type of special vehicle rocker arm as the research object， the analysis boundary is determined according to the coordinated relationship between the adjacent components of the rocker arm， the 3D model of the rocker arm is established by Pro/E， and the constraints and loads are added to the HyperWorks software， and obtained by finite element analysis Rocker arm stress and strain results. Analysis found that there is a stress concentration phenomenon in the matching part of the rocker arm and the gear train， and there is a safety risk if it is directly manufactured. Based on the analysis results， the rocker arm was optimized in structure， and the improved model was analyzed again. The maximum stress of the balance elbow was reduced from 752Mpa to 516Mpa， and the stress at the part of the gear train was reduced to 432Mpa， meeting the design requirements. Use software analysis tools to guide product design， find and solve stress concentration problems in advance， and reduce the risk of new product development.

關(guān)鍵詞：特種車(chē)輛;搖臂;應(yīng)力;應(yīng)變

Key words： special vehicle;rocker arm;stress;strain

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）05-0051-03

0? 引言

爬坡、越野、越障等能力是越野車(chē)輛的重要指標(biāo)，惡劣多變的路況對(duì)整車(chē)設(shè)計(jì)提出更高的要求，懸掛的減振性能影響車(chē)輛的舒適性，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定可靠影響車(chē)輛的安全性。本文結(jié)合某新型特種越野車(chē)輛研發(fā)項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)過(guò)程中用Pro/E軟件對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，用HyperWorks軟件開(kāi)展有限元分析，利用分析結(jié)果提前發(fā)現(xiàn)搖臂結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域并進(jìn)行改進(jìn)，降低新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

1? 有限元模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維建模

搖臂是行走輪系與車(chē)架連接的關(guān)鍵部件，其一端與車(chē)架鉸接，另一端與行走輪系連接，實(shí)現(xiàn)行走輪系、車(chē)架、搖臂三者之間可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，避免輪系與車(chē)架直接連接，降低地面激勵(lì)對(duì)車(chē)架、乘員等的影響，提高整車(chē)對(duì)不同路況地面的適應(yīng)能力。搖臂與其他部件的相對(duì)位置如圖1所示。

搖臂主要由輪系安裝軸、懸掛安裝孔、車(chē)架連接孔、制動(dòng)安裝座等組成。搖臂主體采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，有鉸接配合的孔或軸采用與其尺寸相近規(guī)格的管材，經(jīng)粗加工、焊接及精加工制造而成。采用Pro/E軟件建立搖臂三維模型，如圖2所示。

1.2 分析前處理

完成的搖臂三維模型導(dǎo)入分析軟件前刪掉不影響結(jié)果的倒角、坡口、螺栓安裝孔等特征，提高網(wǎng)格劃分和分析的效率，處理完成后模型導(dǎo)入到HyperWorks軟件中，按相鄰部件的配合關(guān)系和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小控制在2mm到5mm。

搖臂板材材料為Q800E高強(qiáng)鋼，屈服強(qiáng)度為800MPa，管材采用40Cr，屈服強(qiáng)度為785MPa。楊氏模量為206GPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。

2? 載荷邊界條件建立

載荷以安裝在搖臂上零部件的重量及車(chē)輛使用過(guò)程中的附加載荷為準(zhǔn)。整車(chē)有4個(gè)輪系，車(chē)架及上部總重約為3000kg，產(chǎn)品研發(fā)時(shí)假設(shè)整車(chē)重心與幾何中心重合，上裝載荷平均分布進(jìn)行計(jì)算，單個(gè)輪系車(chē)架載荷為750kg。根據(jù)懸掛安裝孔與車(chē)架連接孔的距離確定懸掛載荷與整車(chē)上裝和行走輪系重量載荷的關(guān)系，經(jīng)測(cè)算懸掛負(fù)載約為500kg。根據(jù)制動(dòng)器能產(chǎn)生的最大制動(dòng)力測(cè)算制動(dòng)安裝座的負(fù)載約為1000N。輪系安裝軸承載行駛輪系的重量，對(duì)輪系安裝軸的載荷測(cè)算為600kg。

搖臂直接與行駛輪系鉸接，中間沒(méi)有減振系統(tǒng)，車(chē)輛行駛時(shí)輪胎受到的路面沖擊載荷會(huì)傳遞到搖臂上，尤其是車(chē)輛不停車(chē)跨越障礙或壕溝時(shí)沖擊載荷非常大，參考其他相似車(chē)輛的使用環(huán)境和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)定搖臂沖擊載荷為6.5倍的重力加速度。載荷施加情況如表1所示。

3? 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

利用軟件對(duì)搖臂模型進(jìn)行靜力學(xué)分析計(jì)算，得到的搖臂應(yīng)力云圖如圖3所示。

由應(yīng)力云圖可以看出，搖臂結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域應(yīng)力為100MPa以下，與材料屈服強(qiáng)度785MPa相比，有較大的安全余量。搖臂應(yīng)力云圖中最大應(yīng)力752MPa，雖小于材料屈服應(yīng)力785MPa，但安全系數(shù)只有1.04，位置在輪系安裝軸與搖臂總體連接的軸肩附近，有應(yīng)力集中現(xiàn)象，該區(qū)域?yàn)楹附訜嵊绊憛^(qū)，現(xiàn)階段高強(qiáng)鋼的焊接工藝已非常成熟，焊縫強(qiáng)度能達(dá)到甚至超過(guò)母材的強(qiáng)度，但焊縫附近區(qū)域材料受焊接熱量影響晶體組織會(huì)發(fā)生改變，性能會(huì)有一定程度的退化現(xiàn)象，影響承載能力。如果直接生產(chǎn)制造會(huì)有輪系安裝軸斷裂的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 應(yīng)變分析

搖臂應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示，最大變形量約為10mm，在許用變形范圍之內(nèi)，位置在制動(dòng)安裝座末端，與搖臂和車(chē)架鉸接安裝并可以擺動(dòng)的實(shí)際情況基本吻合，從側(cè)面證明分析結(jié)果可以采信。

3.3 改進(jìn)后應(yīng)力分析

針對(duì)搖臂與輪系配合部位有應(yīng)力集中現(xiàn)象，調(diào)整軸肩結(jié)構(gòu)尺寸和零件制造方式，從整車(chē)指標(biāo)、性能、價(jià)格等方面綜合考慮，對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。原結(jié)構(gòu)采用兩種規(guī)格管材粗加工后焊接再精加工的方式制造，軸肩附近為焊接熱影響區(qū)，其承載能力受焊接影響會(huì)有一定下降，如果直接增加板厚會(huì)增加較多重量才能滿(mǎn)足承載需求，最終確定更換管材規(guī)格，采用一種管材進(jìn)行粗加工，雖然增加了加工量，但徹底解決軸肩附近焊縫的影響，同時(shí)調(diào)整軸肩結(jié)構(gòu)及相鄰部位的尺寸，進(jìn)一步優(yōu)化安全系數(shù)較高區(qū)域的結(jié)構(gòu)尺寸。優(yōu)化完成后搖臂重量基本不變。

修改后的模型再次導(dǎo)入到HyperWorks軟件中進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。搖臂最大應(yīng)力降至516MPa，在橢圓減重孔的位置，安全系數(shù)為1.52，搖臂大部分區(qū)域應(yīng)力在300MPa左右，有兩倍以上的安全系數(shù)，與輪系配合部位應(yīng)力降至432MPa，應(yīng)力集中問(wèn)題得到妥善解決，整體應(yīng)力分布情況有了較大改善，滿(mǎn)足新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)要求，后期可根據(jù)樣機(jī)試驗(yàn)和使用情況對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文以某型特種車(chē)輛搖臂為研究對(duì)象，根據(jù)車(chē)輛使用工況確定分析邊界條件，利用Pro/E建立搖臂三維模型，導(dǎo)入HyperWorks中進(jìn)行有限元分析得到搖臂應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn)搖臂結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域應(yīng)力為100MPa以下，與材料屈服強(qiáng)度785MPa相比有較大富余，最大應(yīng)力在輪系安裝軸與搖臂總體連接的軸肩附近，最大應(yīng)力752MPa，安全系數(shù)較低，而且位于焊接熱影響區(qū)。依據(jù)應(yīng)力云圖對(duì)搖臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，調(diào)整應(yīng)力集中區(qū)域的結(jié)構(gòu)和尺寸，優(yōu)化安全系數(shù)較高區(qū)域的結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)改進(jìn)后模型再次進(jìn)行分析，最大應(yīng)力從752MPa降至516MPa，安全系數(shù)為1.52，輪系安裝軸軸肩部位應(yīng)力降至432MPa，搖臂大部分區(qū)域應(yīng)力提高至300MPa左右，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

本文利用軟件分析工具指導(dǎo)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提前發(fā)現(xiàn)并解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的局部應(yīng)力集中、焊接熱影響區(qū)安全系數(shù)較低以及大部分區(qū)域承載能力有較大富余量的典型問(wèn)題，降低新產(chǎn)品研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，為其他關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析驗(yàn)證提供參考。

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