摘要:前桥是汽车的重要部件之一,应具有足够的强度和刚度。该文运用有限元软件HyperWorks对前桥进行应力变形分析,用UG建立三维模型后导入HyperWorks生成有限元模型,计算紧急制动、侧滑、越过不平路面三种典型工况下的应力及变形。由计算结果知,前桥的受力变形符合强度要求。
关键词:前桥; 有限元; HyperWorks
中图分类号:TH16文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2009)14-3792-02
Finite Element Analysis of Vehicle Front Axle based on HyperWorks
XONG Xiang-jin
(China Railway No.4 Engineering Group Co.LTD, Hefei 230041, China)
Abstract: Front axle is one of important parts of vehicle, it should have enough intensity. This article applied finite element software HyperWorks to analyzed the stress and distortion of the front axle. The 3D model was build by UG and the finite element model was made after it transmitted into HyperWorks. Three kinds of typical situation were calculated about the stress and distortion. As the result, the load and distortion of the front axle accorded with the demand.
Key words: Front axle; finite element; HyperWorks
1 引言
传统的产品设计流程是一个人工反复进行设计的过程。工程师借助CAD工具进行产品的设计,接着提交工厂进行加工制造,然后对产品进行实物试验。如果产品不能满足功能要求或者失效,就需要对产品设计进行修改,甚至重新设计,如此反复,直到产品在实物试验中满足全部要求为止。随着计算机软硬件技术的发展,CAE技术日趋成熟,各种数值仿真方法,如有限元、多体动力学、计算流体力学等技术,在产品设计中得到大量的应用。产品在完成初步设计后,可以基于CAD模型进行产品性能的虚拟试验,初步检验其工作应力、运动过程、产品寿命等。如果产品不能满足要求,可以立即返回给设计人员进行修改或重新设计,从而大大缩短实物试验周期和降低费用。
前桥是汽车上的重要部件之一,是连接车身与车轮的重要部件。它主要承受悬架传来的垂直载荷,同时又承受车轮传来的制动力及侧滑扭矩,因此对其强度,抗冲击性,疲劳强度及可靠性方面都有很高的要求,所以,对前桥进行强度分析十分有必要。
2 前桥受力分析
前桥的受力主要按照3种危险工况来进行分析计算,分别为:紧急制动工况,侧滑工况和越过不平路面工况。前桥的基本受力情况按方向主要分为垂直力、侧向力和纵向力三个方向。根据车辆行驶过程中受力分析可得:紧急制动工况为垂直力和纵向力共同作用的组合工况;侧滑工况为垂直力和侧向力的组合工况;越过不平路面工况为垂直力单独作用的工况。
1) 制动时的载荷为板簧加载处所承受的垂直力和纵向制动力的组合,此时垂向反力为:
式中,G1为满载静止时前桥的垂直载荷,m1"为制动时质量转移系数,这里取1.7。
纵向制动力为:
式中,φ为轮胎与地面的附着系数,取0.8。
该工况下的垂向载荷和制动力都以均布施加于板簧座上。
2) 侧滑工况时的载荷为侧向力与垂向力的组合,侧向反力为:
垂向反力为:
式中,下标L和R分别为左侧和右侧车轮; hg为满载时质心高度, rr"板簧座上表面的离地高度,φ1为侧滑系数,取1.0,B为汽车轮距,H为满载时的重心高度,S为两板簧座中心的距离。
3) 越过不平路面时的载荷为最大垂直动载荷,为:
式中,K为动载荷系数,取2.5,G1为前轮静载荷以面力施加于板簧座上表面上。
3 模型的建立
3.1 HyperWorks软件简介
Altair公司的HyperWorks软件为用户提供优秀的前处理工具HyperMesh,用于实现优化设计的OptiStruct技术以及全面而通用的CAE后处理环境HyperView。除此之外,它还提供鲁棒性研究、集成的制造工艺仿真、流程自动化和数据管理等方面的支持,集成了设计与分析所需的各种工具,在汽车、航空航天、重装备、国防、消费品、石油天然气以及生命和地球科学等行业得到广泛的应用。
3.2 有限元模型的建立
前桥的基本结构比较复杂,为了减少不必要的计算量,在实际建模时进行适当的简化,
去除对结果影响不大的凸台和倒角,先利用UG进行三维建模,然后将模型转化成IGES格式输出后导入HyperMesh中,对模型表面进行二维网格划分,检查没有网格错误之后再生成四面体单元三维网格,生成的模型如图1所示。
前桥的加载和约束按照实际情况,对前桥两端主销端孔进行约束,载荷加载于板簧座处。前桥材料的弹性模量E=210GP,泊松比为0.3,屈服极限σs=400MPa,强度极限 σb=550MPa。由于该材料为塑性材料,所以应以屈服极限作为极限应力。
4 计算结果及分析
前桥所受的载荷为1445Kg,前轮轮距为1050mm,满载质心高度为1070mm,板簧座中心间距为900mm。计算结果显示最大应力发生在越过不平路面工况,最大应力为77.8MPa,如图2所示;最大变形为0.46mm,如图3所示。图4和图5为紧急制动和侧滑工况下的应力分布图。
最大应力产生的部位位于前桥一侧靠近主销端孔处,不过应力远远小于材料的屈服极限,故安全系数较高,很好地满足了强度要求。
5 结论
本文利用HyperWorks对汽车前桥进行强度有限元计算分析,由分析结果可知,利用计算机工程软件进行有限元计算能够对汽车结构进行比较全面的分析,可以有效地减少试验周期,降低设计与制造费用,显著减少了车型的开发周期。
参考文献:
[1] 刘惟信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社,2001.
[2] 谭继锦.汽车有限元法[M].北京:人民交通出版社,2005.
[3] 张胜兰,郑冬黎,赫琪,李楚林.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社,2007.
[4] 朱帅,钱立军.基于ANSYS的前桥强度分析[J].机械研究与应用,2007,4(2):44-45.
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