基于有限元仿真技術(shù)的汽車(chē)軸承設(shè)計(jì)現(xiàn)狀研究

摘? 要：當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)在不斷地發(fā)展和進(jìn)步，人們對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)也越來(lái)越重視，而且受到科學(xué)技術(shù)水平以及信息技術(shù)水平不斷地優(yōu)化和完善的影響，當(dāng)前在設(shè)計(jì)領(lǐng)域也創(chuàng)新了各式各樣的設(shè)計(jì)方法，比如說(shuō)有限元設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)。智能化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等等。在汽車(chē)軸承設(shè)計(jì)中也不斷的應(yīng)用多元化的技術(shù)，本文基于此對(duì)基于有限元仿真技術(shù)的汽車(chē)軸承設(shè)計(jì)現(xiàn)狀進(jìn)行探究分析。

關(guān)鍵詞：有限元仿真技術(shù);汽車(chē)軸承;設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

引言：對(duì)于生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)來(lái)說(shuō)，其中入門(mén)工序就是設(shè)計(jì)，而其設(shè)計(jì)水平以及設(shè)計(jì)效果直接影響后續(xù)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，同時(shí)也會(huì)對(duì)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)造成一定的影響，進(jìn)而影響企業(yè)的企業(yè)形象以及經(jīng)濟(jì)效益。一般來(lái)說(shuō)汽車(chē)軸承設(shè)計(jì)可以分為產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)四個(gè)階段，因此在對(duì)汽車(chē)軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一般需要完成兩個(gè)方面的工作，一個(gè)是理論計(jì)算，另外一個(gè)是從無(wú)到有設(shè)計(jì)一部機(jī)器。

一、有限元仿真技術(shù)（ANSYS有限元分析軟件）在汽車(chē)軸承設(shè)計(jì)中應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）結(jié)構(gòu)靜力與動(dòng)力分析

ANSYS有限元分析軟件是1970年創(chuàng)建，由于其創(chuàng)建時(shí)間較長(zhǎng)，因此隨著不斷的完善和優(yōu)化，其特點(diǎn)和功能相對(duì)來(lái)說(shuō)較為齊全，也在各領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行推廣和應(yīng)用。ANSYS有限元分析軟件在應(yīng)用的過(guò)程中，其中靜力分析主要為非線(xiàn)性，比如說(shuō)蠕變、塑性、膨脹、大變形、大應(yīng)變以及接觸面等。而這種非線(xiàn)性分析在進(jìn)行工作的過(guò)程中一般是需要依靠加載荷完成。在ANSYS有限元分析軟件之中，可以將結(jié)構(gòu)屈曲分析分為兩類(lèi)，一個(gè)是線(xiàn)性（特征值）屈曲，另一個(gè)是非線(xiàn)性屈曲。而且ANSYS有限元分析軟件在運(yùn)行的過(guò)程中可以解決動(dòng)力分析的問(wèn)題，比如說(shuō)模態(tài)、瞬態(tài)動(dòng)力、諧波響應(yīng)、響應(yīng)譜以及隨機(jī)震動(dòng)[1]。

（二）結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性分析

在對(duì)動(dòng)態(tài)以及瞬態(tài)進(jìn)行分析的過(guò)程中，ANSYS有限元分析軟件運(yùn)行可以考慮多元化的非線(xiàn)性影響，比如說(shuō)材料、集合以及單元非線(xiàn)性。

1.材料非線(xiàn)性分析：它可以對(duì)各種非線(xiàn)性材料特性進(jìn)行一定的模擬。以非線(xiàn)性應(yīng)力為基礎(chǔ)，對(duì)關(guān)系特征的塑性、多線(xiàn)性、彈性和超彈性進(jìn)行應(yīng)變，同時(shí)也可以對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的其他多種因素進(jìn)行應(yīng)變，比如說(shuō)與時(shí)間、溫度、電子流水平等因素相關(guān)的粘塑性、蠕變、膨脹和粘彈性。對(duì)于非線(xiàn)性材料特性需要使用的解決方法一般會(huì)選擇Newton Raphson方法。

2.幾何非線(xiàn)性分析：它可以幫助解決現(xiàn)存的幾何非線(xiàn)性問(wèn)題：大應(yīng)變、大變形、應(yīng)力硬化和旋轉(zhuǎn)軟化。對(duì)于現(xiàn)存的高度非線(xiàn)性的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，可以應(yīng)用ANSYS和LS-DYNA的集成，相比較而言而這種方法對(duì)于解決某類(lèi)問(wèn)題時(shí)，其效果比ANSYS中原來(lái)的隱式非線(xiàn)性解更強(qiáng)，主要是由于該解決方式不構(gòu)成剛度矩陣，因此也更加適用于求解大接觸變形和材料非線(xiàn)性問(wèn)題。ANSYS/ls-dy-na可以模擬材料成形、鍛造、沖壓等工業(yè)過(guò)程，也可以模擬汽車(chē)碰撞和物體墜落的過(guò)程。材料模型包括彈性、彈塑性、塑料、合成橡膠、玻璃和泡沫模型。

（三）熱分析

ANSYS有限元分析軟件在對(duì)熱傳遞進(jìn)行處理的過(guò)程中，可以主要分為三大類(lèi)：傳導(dǎo)、對(duì)流（自由和強(qiáng)迫）以及輻射。而根據(jù)這三類(lèi)可以將熱傳遞處理的過(guò)程中使用穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線(xiàn)性或者是非線(xiàn)性進(jìn)行熱分析工作。

1.穩(wěn)態(tài)分析：在這一過(guò)程中可以施加的荷載類(lèi)型主要包括對(duì)流表面、熱流密度、熱流率、熱生成率以及給定溫度?？梢詫⒎治龇譃閮蓚€(gè)類(lèi)型。一種是線(xiàn)性分析，另外一種是非線(xiàn)性分析。

2.瞬態(tài)分析：瞬態(tài)分析一般可以分為線(xiàn)性分析或者是非線(xiàn)性分析。瞬態(tài)熱分析一般是指可定義的載荷類(lèi)型與穩(wěn)態(tài)情況相同。

3.相變分析：它是瞬態(tài)熱分析的特例，解決了傳熱過(guò)程中材料的凝固和溶解問(wèn)題。在分析狀態(tài)變化（相變）時(shí)，必須考慮相變過(guò)程中釋放或吸收的能量（潛熱），這可以通過(guò)在ANSYS中將材料的熱函數(shù)定義為溫度的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（四）電場(chǎng)分析以及壓電分析

電場(chǎng)分析函數(shù)用于研究電流傳導(dǎo)的靜電分析。感興趣的量是電流密度、電場(chǎng)強(qiáng)度、電壓分布、電通量密度、傳導(dǎo)產(chǎn)生的焦耳熱、儲(chǔ)能和電容。壓電分析能力用于分析三維結(jié)構(gòu)對(duì)交流、直流或任何隨時(shí)間變化的電氣或機(jī)械負(fù)載的響應(yīng)。

（五）ANSYA的材料

ANSYS程序可以定義不隨溫度變化的各向同性材料，以及各向異性材料和隨溫度變化的材料。為了便于輸入，ANSYS建立了一個(gè)包含鋼、鋁和銅等10種材料的材料庫(kù)。只要用戶(hù)選擇材料模型，就可以自動(dòng)定義結(jié)構(gòu)分析或熱分析所需的材料數(shù)據(jù)。借助于特殊的多層殼體和實(shí)體單元，可以建立復(fù)合材料模型。這些元素允許各向同性或正交各向異性材料的疊加，層厚度和材料可以改變。

二、有限元仿真技術(shù)（MARC有限元分析軟件）在汽車(chē)軸承設(shè)計(jì)中應(yīng)用現(xiàn)狀

Marc是Marc公司的產(chǎn)品，其主要特點(diǎn)是非線(xiàn)性有限元分析。它的創(chuàng)始人是布朗大學(xué)力學(xué)系教授佩德羅·馬塞爾。Marc軟件可以解決多種現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，這其中主要包括各種結(jié)構(gòu)的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析、非結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分析、流場(chǎng)分析、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和聲場(chǎng)分析;同時(shí)也針對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的耦合分析，包括熱力耦合、土壤滲流耦合、滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)耦合、擴(kuò)散應(yīng)力耦合、流熱耦合、流熱固耦合、電磁場(chǎng)耦合、電熱耦合、電熱結(jié)構(gòu)耦合、聲結(jié)構(gòu)耦合等分析功能[2]。

（一）熱傳導(dǎo)分析

Marc具有一維、二維和三維穩(wěn)態(tài)以及瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析能力。它可以對(duì)各向同性、各向異性或正交各向異性的熱物理參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的表述，處理比熱和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度或其他變量變化的材料的非線(xiàn)性和高度非線(xiàn)性相變潛熱。而其較為突出的一點(diǎn)是它不僅可以分析溫度、對(duì)流和熱流等給定邊界條件下的非線(xiàn)性熱傳導(dǎo)問(wèn)題，同時(shí)也可以為高度非線(xiàn)性的強(qiáng)迫對(duì)流邊界和熱輻射邊界提供一種簡(jiǎn)便的收斂性分析。將MARC的傳熱分析和位移分析相結(jié)合，可以分析耦合或解耦的熱力相互作用和速度場(chǎng)耦合，以及流動(dòng)-熱耦合;結(jié)合電壓場(chǎng)，分析了焦耳熱的產(chǎn)生。

（二）滑動(dòng)軸承分析

Marc為滑動(dòng)軸承提供了一定的分析功能，同時(shí)其能夠?qū)Ω鞣N幾何潤(rùn)滑劑進(jìn)行過(guò)模擬，且實(shí)效性較好，比如說(shuō)楔塊軸承、螺紋推力軸承和有限寬度徑向滑動(dòng)軸承。

（三）流體分析

Marc使用Euler方法描述有限元方法，該方法可以解決一系列水動(dòng)力問(wèn)題。自由度是壓力、速度和溫度;給定約束類(lèi)邊界處的壓力、溫度和速度;負(fù)荷邊界條件主要包括：節(jié)點(diǎn)集中力、單元邊界分布力、單元體積力、節(jié)點(diǎn)熱流、單元邊界分布熱流、單元體積熱流、單元邊界對(duì)流、熱輻射等傳熱邊界條件。流體是不可壓縮的單向?qū)恿?。除了具有恒定粘度的牛頓流體外，還可以模擬幾種非牛頓流體。

結(jié)語(yǔ)：綜上所述，隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量在不斷地提升，汽車(chē)已經(jīng)成為當(dāng)前大部分家庭的代步工具，因此對(duì)于汽車(chē)軸承設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。而且受到科學(xué)技術(shù)手段不斷進(jìn)步的影響，對(duì)于汽車(chē)軸承設(shè)計(jì)使用的技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也會(huì)遇見(jiàn)一定的問(wèn)題，比如說(shuō)熱處理、材料、制造水平等，因此一定要使用現(xiàn)代化技術(shù)方法，有效地對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析求解。

參考文獻(xiàn)：

[1]方金順. 基于有限元仿真技術(shù)的車(chē)輛側(cè)翻臺(tái)結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 專(zhuān)用汽車(chē)， 2021（10）：4.

[2]宋楊法， 黃志輝， 雷亞南. 基于有限元方法的內(nèi)圈裝反軸承受力分析與壽命評(píng)估[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2021， 34（3）：9.

作者簡(jiǎn)介：戴龍龍（1988年10月——），男，漢族，江西吉安人，大專(zhuān)，研究方向：汽車(chē)軸承設(shè)計(jì)與應(yīng)用。