基于顯式動(dòng)力學(xué)的控制臂球銷(xiāo)脫出力仿真分析

常海嘯　韓超　梁友濤　武小一

摘要：? 為防止汽車(chē)使用過(guò)程中控制臂球銷(xiāo)脫出，基于顯式動(dòng)力學(xué)有限元法，對(duì)某車(chē)型控制臂的球銷(xiāo)脫出力進(jìn)行仿真計(jì)算，利用Abaqus/Explicit求解器得到球銷(xiāo)的脫出力和控制臂的等效塑性應(yīng)變。與控制臂球銷(xiāo)拉脫試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該仿真分析方法的有效性。結(jié)合球銷(xiāo)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，分析控制臂球碗端口壁厚、球碗端口下方圓角半徑和球碗端口半徑等3個(gè)參數(shù)對(duì)球銷(xiāo)脫出力的影響，結(jié)果表明：增大球碗端口的壁厚、增大球碗端口下方圓角半徑和減小球碗端口半徑，均可以增大球銷(xiāo)的脫出力。

關(guān)鍵詞：? 控制臂; 球銷(xiāo); 脫出力; 影響參數(shù); 有限元

中圖分類(lèi)號(hào)：? U472; TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? B

Simulation analysis on pull-out force of ball pin on

control arm based on explicit dynamics

CHANG Haixiao HAN Chao LIANG Youtao WU Xiaoyi

（State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise & Safety Control，

China FAW Group Co.， Ltd.， R&D Gentral， Changchun 130011， China）

Abstract： To prevent the ball pin pulling out from the control arm during the vehicle driving， the ball pin pull-out force of a vehicle control arm is simulated and calculated based on explicit dynamics finite element method， and the pull-out force of the ball pin and the equivalent plastic strain of the control arm are obtained using Abaqus/Explicit solver. The effectiveness of the simulation analysis method is verified by comparing with the pull-out test results of the ball pin of the control arm. Combined with the ball pin actual structure， the effects of three parameters on the ball pin pull-out force are analyzed， that include the wall thickness of the ball bowl edge of the control arm， the fillet radius below the ball bowl edge and the radius of the ball bowl edge. The results show that the pull-out force of the ball pin can be increased by increasing thickness of the ball bowl edge， increasing the fillet radius below the ball bowl edge and reducing the radius of ball bowl edge.

Key words： control arm; ball pin; pull-out force; influence parameter; finite element

作者簡(jiǎn)介： 常海嘯（1989—），男，滿族，遼寧沈陽(yáng)人，碩士，研究方向?yàn)槠?chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度耐久仿真，（E-mail）changhaixiao@faw.com.cn0引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車(chē)質(zhì)量不斷提高，汽車(chē)的安全性也越來(lái)越受到人們的重視。[1]控制臂是汽車(chē)底盤(pán)運(yùn)動(dòng)和承載的主要導(dǎo)向元件[2-3]，其一端通過(guò)襯套與副車(chē)架相連，另一端通過(guò)球銷(xiāo)與轉(zhuǎn)向節(jié)相連。一旦球銷(xiāo)從控制臂中脫出，必然會(huì)發(fā)生重大的安全事故。[4]控制臂球銷(xiāo)設(shè)計(jì)要綜合考慮部件極限承載能力、擺動(dòng)角度和底盤(pán)結(jié)構(gòu)等因素，球銷(xiāo)的脫出力須滿足一定要求。在球銷(xiāo)設(shè)計(jì)階段，采用有限元方法對(duì)其脫出力進(jìn)行仿真分析，可指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保球銷(xiāo)脫出力滿足要求，有效縮短設(shè)計(jì)周期，降低研發(fā)成本。楊建強(qiáng)等[5]提出一種利用LS-DYNA軟件求解轉(zhuǎn)向外拉桿極限脫出力的仿真分析方法，但未考慮結(jié)構(gòu)特征對(duì)脫出力的影響。

本文基于顯式動(dòng)力學(xué)有限元法，對(duì)控制臂外點(diǎn)球銷(xiāo)脫出力進(jìn)行分析，采用控制臂球銷(xiāo)拉脫試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，確定分析方法的可行性，并據(jù)此研究球頭座結(jié)構(gòu)特征對(duì)球銷(xiāo)脫出力的影響。

1顯式動(dòng)力學(xué)

使用顯式動(dòng)力學(xué)理論且結(jié)合有限元法計(jì)算球銷(xiāo)脫出力，該方法求解過(guò)程簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)有限元法要對(duì)每個(gè)時(shí)間步重新計(jì)算剛度矩陣，而且需要反復(fù)迭代，計(jì)算需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和存儲(chǔ)空間。顯式動(dòng)力學(xué)有限元法可以省去這2個(gè)步驟，使用中心差分法顯式求解有限元方程，能夠提高計(jì)算速度，降低存儲(chǔ)空間，且計(jì)算穩(wěn)定性較好。[6]

2有限元分析

2.1模型處理

球銷(xiāo)脫出力仿真分析主要涉及的零部件有球銷(xiāo)、控制臂、球銷(xiāo)座和底板，模型示意見(jiàn)圖1。由于該分析主要針對(duì)控制臂和球銷(xiāo)配合的局部位置，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)空間，控制臂僅截取球銷(xiāo)附近一段即可。

利用HyperMesh軟件對(duì)控制臂和球銷(xiāo)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。[8]球銷(xiāo)和球銷(xiāo)座使用1階六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸為1 mm;控制臂與球銷(xiāo)座配合區(qū)域附近采用1階六面體單元，單元尺寸為1 mm，要求控制臂球碗圓角位置網(wǎng)格至少為3層，控制臂其他區(qū)域可以選擇用四面體單元建模，單元尺寸為 2～3 mm，見(jiàn)圖2。1階六面體單元類(lèi)型可選擇C3D8I，四面體單元類(lèi)型可選擇C3D4。計(jì)算考慮材料非線性，各零部件材料參數(shù)見(jiàn)表1。

用*CONTACT INCLUSIONS， ALL EXTERIOR語(yǔ)句為所有接觸面建立通用接觸關(guān)系，防止網(wǎng)格穿透。[9]設(shè)置阻尼比為0.06，時(shí)間增量步取1×10^-7s。約束控制臂球碗上端面6個(gè)方向自由度，在球銷(xiāo)上施加垂直向上20 mm的強(qiáng)制位移，輸出球銷(xiāo)拉脫力的反力和控制臂的等效塑性應(yīng)變。將有限元模型保存為inp文件，提交Abaqus/Explicit求解器進(jìn)行計(jì)算。[10]

2.2計(jì)算結(jié)果分析

利用Abaqus后處理軟件查看求解文件，得到控制臂在球銷(xiāo)脫出后的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D和載荷-位移曲線（見(jiàn)圖3）。由此可知，在球銷(xiāo)拉出過(guò)程中，拉力先增大后減小，最大拉脫力為38.9 kN。

在強(qiáng)制位移作用下，球銷(xiāo)從控制臂球碗中被拉出。在拉出過(guò)程中，控制臂球碗受到的最大應(yīng)力超出材料的屈服極限，產(chǎn)生較大的等效塑性應(yīng)變，即發(fā)生永久變形。等效塑性應(yīng)變較大的位置為球碗端口和端口下方圓角處，見(jiàn)圖4。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行控制臂球銷(xiāo)拉脫試驗(yàn)。在20 ℃的試驗(yàn)環(huán)境溫度下，將控制臂與球銷(xiāo)裝配好固定在試驗(yàn)臺(tái)上，見(jiàn)圖5。啟動(dòng)作動(dòng)器，從0開(kāi)始加載直到球銷(xiāo)被拉出，在電腦端輸出載荷-位移曲線。

取3件產(chǎn)品，分別進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)，得到控制臂球銷(xiāo)載荷-位移曲線，見(jiàn)圖6。由試驗(yàn)結(jié)果可知，樣品的脫出力分別為37.4、36.9和38.2 kN，有限元分析結(jié)果脫出力為38.9 kN，誤差為5%左右，可認(rèn)為該有限元方法可以較好地仿真球銷(xiāo)的脫出力。

4影響因素分析

基于上述分析方法，研究控制臂結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)球

銷(xiāo)脫出力的影響。根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，控制臂球碗端口和端口下方倒角位置等效塑性應(yīng)變較大，因此主要考慮球碗端口參數(shù)對(duì)球銷(xiāo)脫出力的影響。球碗尺寸示意見(jiàn)圖7，其中R_φ為球碗端口下方圓角半徑，R_d為球碗端口半徑。在R_d相對(duì)不變時(shí)，R_h的變化可體現(xiàn)球碗的壁厚。

采用控制變量法，考慮球碗端口壁厚R_h對(duì)球銷(xiāo)脫出力的影響。取Rd=14.00 mm、R_φ=0.50 mm，R_h取R_h1=18.75 mm、R_h2=19.00 mm和R_h3=19.50 mm等3種不同值，建立3個(gè)有限元模型計(jì)算相應(yīng)的脫出力，結(jié)果見(jiàn)表2。

考慮球碗端口半徑R_d對(duì)球銷(xiāo)脫出力的影響，其中R_h=18.75 mm、R_φ=0.50 mm，R_d取R_d1=14.00 mm、R_d2=13.87 mm和R_d3=13.75 mm等3種不同值，建立3個(gè)有限元分析模型并計(jì)算相應(yīng)脫出力，結(jié)果見(jiàn)表3。

考慮球碗端口下方圓角半徑R_φ對(duì)球銷(xiāo)脫出力的影響，其中R_h=18.75 mm、R_d=14.00 mm，R_φ取R_φ1=0.50 mm、R_φ2=1.00 mm和R_φ3=2.00 mm等3種不同值，建立3個(gè)有限元模型并計(jì)算相應(yīng)的脫出力，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表2～4可知，增大球碗端口的壁厚R_h、減小球碗端口半徑R_d，以及增大球碗端口下方圓角半徑R_φ都可以增大球銷(xiāo)的脫出力，其中減小球碗端口半徑的方法效果最明顯。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中可綜合考慮部件極限承載能力、球銷(xiāo)擺動(dòng)角度以及控制臂結(jié)構(gòu)布置等因素，結(jié)合上述分析結(jié)論，采取可行方案提升球銷(xiāo)的脫出力。

5結(jié)束語(yǔ)

基于顯式動(dòng)力學(xué)有限元法，提供一種控制臂球銷(xiāo)脫出力的仿真分析方法，對(duì)某車(chē)型控制臂球銷(xiāo)脫出力進(jìn)行有限元分析，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，有限元結(jié)果的誤差僅為5%左右，證明該方法可以較好地仿真控制臂球銷(xiāo)脫出力。

根據(jù)控制臂結(jié)構(gòu)特征，分析3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)球銷(xiāo)脫出力的影響，對(duì)比分析結(jié)果認(rèn)為增大球碗端口的壁厚、增大球碗端口下方圓角半徑以及減小球碗端口半徑都可以增大球銷(xiāo)的脫出力，其中減小球碗端口半徑的方法效果最為明顯。參考文獻(xiàn)：

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