某車型下推力桿結(jié)構(gòu)及疲勞仿真分析

陳柳青，張善昌，薛 藝，曹 莉，王 睿

某車型下推力桿結(jié)構(gòu)及疲勞仿真分析

陳柳青，張善昌，薛 藝，曹 莉，王 睿

（西安德仕汽車零部件有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200）

以某車型下推力桿的輕量化為研究對(duì)象，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，減少重量，轉(zhuǎn)移應(yīng)力集中部位，以提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)以及耐久性。首先建立下推力桿的兩種不同結(jié)構(gòu)三維模型，然后利用ANSYS進(jìn)行有限元分析，并獲取兩種不同工況的推力桿強(qiáng)度。最后利用得到的靜力學(xué)結(jié)果在Ncode中做疲勞對(duì)比分析，結(jié)果表明在質(zhì)量在降低了28.4%的情況下，安全系數(shù)相比優(yōu)化前均得到了提升，提高了相應(yīng)工況的疲勞壽命，優(yōu)化較為合理，同時(shí)為今后的下推力桿優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

推力桿；有限元分析；輕量化；疲勞分析

牽引車[1]后懸架大多采用推力桿來(lái)傳遞車輛的縱向力、橫向力和其他各個(gè)方向的力和力矩，主要用來(lái)保持車橋相對(duì)位置固定。推力桿一端與車橋相連，一端與車架相連，能夠緩和由路面不平引起的振動(dòng)和沖擊，提升乘員的乘坐舒適性和運(yùn)輸貨物的完好性。隨著空氣懸架市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，推力桿的使用大幅增加，工況環(huán)境惡劣或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致其使用壽命縮短，存在安全隱患，所以其強(qiáng)度和疲勞性能的設(shè)計(jì)提升尤為關(guān)鍵。

本文首先將下推力桿優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)做強(qiáng)度分析[2-3]，質(zhì)量從原有的11.6 kg降低到8.3 kg，得到垂向加載及軸向加載不同工況下下推力桿強(qiáng)度，最后結(jié)合Ncode計(jì)算相應(yīng)的疲勞壽命。

1 建立下推力桿有限元模型

1.1 建立下推力桿三維模型

下推力桿主要由兩個(gè)桿頭、一個(gè)桿身、兩個(gè)球銷組成[4-5]，球銷總成一般由兩側(cè)端蓋、橡膠體以及球銷芯軸等四部分硫化在一起，球銷總成通過(guò)壓裝工藝與桿頭相連接，桿頭與桿身通過(guò)焊接連接到一起，這樣就形成了下推推力桿總成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 下推力桿三維模型

1.2 材料參數(shù)

模型中，桿身材料為Q355，桿頭材料為45#，球銷材料為QT900，具體參數(shù)如表1所示[6]。

表1 材料參數(shù)

材料構(gòu)件名稱彈性模量/MPa泊松比密度/(t/mm3)屈服極限/MPa強(qiáng)度極限/MPa Q355桿身2.06e-50.37.8e-9355470 45#桿頭2.06e-50.37.8e-9290590 QT900球銷1.69e-50.277.2e-9600900

1.3 下推力桿有限元模型

根據(jù)三維模型和受力情況進(jìn)行有限元建模，采用Workbench軟件進(jìn)行處理，其網(wǎng)格劃分采用實(shí)體單元。單元數(shù)量為144 982，節(jié)點(diǎn)數(shù)為263 386，網(wǎng)格質(zhì)量是有限元分析結(jié)果的重要評(píng)判依據(jù)，按照四面體的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，此模型的長(zhǎng)寬比為4.39，偏斜度為42.12，翹曲度為15，雅克比為0.75，均符合網(wǎng)格質(zhì)量要求。下推力桿有限元模型如圖2所示。

圖2 下推力桿有限元模型

1.4 邊界條件

本分析所采用的邊界加載條件與實(shí)際試驗(yàn)一致，約束左邊球銷安裝孔6個(gè)自由度，在右邊球銷上分別施加軸向與垂向載荷70 kN，具體模型如圖3所示。

圖3 載荷邊界條件

2 結(jié)果分析

針對(duì)優(yōu)化前后兩種結(jié)構(gòu)的推力桿，施加70 kN的垂向載荷和軸向載荷，分析結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4工況1應(yīng)力集中出現(xiàn)在球銷芯軸螺栓安裝孔位置，優(yōu)化前最大主應(yīng)力為202.66 MPa，優(yōu)化后最大主應(yīng)力為153.38 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度。圖5工況2應(yīng)力集中出現(xiàn)在桿身位置，優(yōu)化前最大主應(yīng)力為324.29 MPa，優(yōu)化后最大主應(yīng)力為279.36 MPa，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)于優(yōu)化前強(qiáng)度，且小于材料的屈服強(qiáng)度，該牽引車下推立桿滿足使用條件。

圖4 工況1

圖5 工況2

3 疲勞分析

將在Workbench中求解的靜力學(xué)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ncode中，運(yùn)用應(yīng)力疲勞分析進(jìn)行計(jì)算，在Advan- ced Edit中創(chuàng)建材料的S-N曲線，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，在兩種工況下，優(yōu)化后的壽命相比優(yōu)化前都有明顯增加：工況1的疲勞分析結(jié)果如圖6所示，壽命從1.455e+6增加到8.096e+6，工況2的疲勞分析結(jié)果如圖7所示，壽命從5.293e+5提高到1.018e+6。

圖6 工況1下的疲勞分析結(jié)果

圖7 工況2下的疲勞分析結(jié)果

4 結(jié)論

1）輕量化方面：質(zhì)量從原有的11.6 kg降低到8.3 kg，降低了28.4%，通過(guò)降低下推力桿的重量，降低了制造成本，減少了工藝的損耗，為今后相關(guān)的部件輕量化提供了思路；

2）材料強(qiáng)度方面：采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)相比優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)，在工況1下，優(yōu)化后相比優(yōu)化前應(yīng)力減小了49.28 MPa，在工況2下，優(yōu)化后相比優(yōu)化前應(yīng)力減小了44.93 MPa，安全系數(shù)均得到了提升，極大地增加了下推力桿的整體強(qiáng)度，表明優(yōu)化的合理性；

3）壽命方面：在兩種工況下，優(yōu)化后的壽命相比優(yōu)化前都有明顯增加，進(jìn)而提高了下推力桿的耐久性。

[1] 王靜,賀艷輝,張建,等.某商用車Ⅰ型推力桿有限元分析[J].時(shí)代汽車,2022(22):144-146.

[2] 趙衛(wèi)艷,李文濤,武小衛(wèi),等.某卡車橫向推力桿支架的仿真分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017,42 (8):181-183,215.

[3] 曾晶晶,卜繼玲,劉羽.某型汽車推力桿結(jié)構(gòu)與疲勞性能分析[J].客車技術(shù)與研究,2011,33(4):14-16,27.

[4] 曹洲,王印,梁津,等.商用車V型推力桿失效分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2021,46(14):69-72.

[5] 賀艷輝.商用車懸架桿類部件有限元分析及二次開發(fā)[D].重慶:重慶理工大學(xué),2018.

[6] 劉化民,楊舒涵,李義,等.推力桿球鉸仿生表面改進(jìn)及有限元分析[J/OL].(2023-02-09)[2023-07-10].https:// doi.org/10.13229/j.cnki.jdxbgxb20221407.

Simulation Analysis of the Structure and Fatigue of the Lower Stinger of a Vehicle Type

CHEN Liuqing, ZHANG Shanchang, XUE Yi, CAO Li, WANG Rui

( Xi'an Deshi Auto Parts Company Limited, Xi'an 710200, China )

The lightweighting of the lower thrust rod of a certain model is studied to reduce the weight and transfer the stress concentration area by optimizing the design structure in order to improve the structural safety coefficient as well as the durability.Firstly, two different structural three-dimensional models of the lower thrust rod are established, and then finite element analysis is carried out using ANSYS and the strength of the thrust rod is obtained for the two different working conditions. Finally, fatigue comparative analysis is done in Ncode using the obtained hydrostatic results. The results show that in the case of 28.4% reduction in mass, the safety factor is improved compared with that before optimization, and the fatigue life of the corresponding working conditions is improved, so the optimization is more reasonable. At the same time, it provides the basis for the optimized design of the lower thrust rod in the future.

Stinger; Finite element analysis; Lightweight; Fatigue analysis

U463.33

A

1671-7988(2023)19-77-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.015

陳柳青（1996－），女，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)樘摂M驗(yàn)證，E-mail:565168061@qq.com。