搜索ANSYS的前橋強度分析
2013-06-17 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
現代汽車通過采用各種措施不斷追求更高的經濟指標和動力指標及舒適性指標,相應會導致車架的機械負荷不斷增加,形狀越來越復雜。因此,對車架強度及剛度的計算,不可能得到精確的解析解。通過傳統的簡化方法,將導致不精確甚至是錯誤的解。為獲得滿足工程要求的數值解,必須運用現代數值模擬技術。數值模擬技術是現代工程學形成和發展的重要推動力之一。汽車前軸是車橋上重要部件之一,是連接車身與車輪的重要部件,它承受懸架傳來的垂直載荷,同時又承受車輪傳來的制動力及側滑扭矩,因此對其強度,抗沖擊性,疲勞強度及可靠性方面都有很高的要求,對汽車前軸進行強度分析十分重要。
2 前軸的受力分析
根據汽車設計手冊,對前軸的受力按照3種危險工況進行分析計算,即:緊急制動工況,側滑工況和超越不平路面工況。由參考文獻可知,前軸的基本受力情況有3種:車輪受垂直力,車輪受側向力和車輪受縱向力。根據車輛行駛過程中受力分析可得;緊急制動工況為垂直力和縱向力共同作用的組合工況;側滑工況為垂直力和側向力的組合工況;越過不平路面工況即為垂直力單獨作用的工況。
3 建立模型
3.1 ANSYS簡介
ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件,廣泛應用于汽車交通、機械制造、電子、土木工程、航空航天等一般工業及科學研究。該軟件可在大多數計算機及操作系統中運行,如PC機、工作站和巨型計算機等。ANSYS物理場藕荷的功能,允許在同一模型上進行各種藕合計算,如:熱一結構藕合、磁一結構禍合及電-磁一流體一熱禍合,就確保ANSYS能對多領域多變工程問題進行求解。充分利用ANSYS軟件的強大功能,分別在微機和SUN工作站上對車架進行模擬計算,得到較好的結果。
3.2計算模型的建立
由于前橋的基本結構比較復雜,考慮到分析時的可行性在實際建模時進行適當簡化,去除一些對結果影響不大的倒角和凸臺。采用UG軟件進行建立三維模型,如圖1所示。
建立模型后將模型通過接口程序導人ANSYS軟件中,考慮到本橋結構的實體特征,故采用Solid模型與四面體單元對實體進行網格劃分17523個單元,31840個節點,建立的有限元模型如圖2所示。
前軸材料為12Mn2VB,其彈性模量E=210GP,泊松比Y=0.31,屈服極限。σs=480MPa,強度極限σb=686MPa,由于該材料為塑性材料,故應以屈服極限作為極限應力。根據前橋的實際行駛工況進行約束和載荷施加,對前軸的兩端主銷端孔進行全約束,跨越障礙物時垂向載荷以壓強形式施加在板簧座處,制動和側滑工況垂向載荷施加在板簧座上表面,側向和縱向載荷施加于懸架安裝孔內表面。
4 仿真分析
筆者所研究的車型參數如表1所示,根據以上分析對模型進行加載,垂直載荷加在懸架安裝面上,縱向載荷施和側向載荷加在車橋上懸架安裝螺栓孔內表面上.
(1)越過不平路面時的載荷為最大垂直動載荷:
式中:K為動載荷系數,G1為前輪靜載荷以面力施加于板簧座上表面上此時分析結果如圖3,4所示。
(2)制動時的載荷為板簧面所承受的垂直力與縱向制動力的組合此時:
式中:G1為滿載靜止時前軸的垂直載荷,m"1為制動時質量轉移系數,此例可取1.7。
該工況下的垂向載荷以均布施加于板簧座上,制動力以均布施加與板簧的安裝螺栓孔內表面上,此工況下的應力應變結果如圖5,6所示。
(3)側滑工況時的載荷為側向力與垂向力的組合:側向反力:
式中:下標L和R分別為左側和右側車輪;hg為滿載時質心高度,r"r為板簧座上表面的離地高度,Φ1為側滑系數,B為汽車輪距,H為滿載時重心高度,S為兩板簧座中心的距離。此工況下得到的應力應變結果如圖7 ,8所示.
5 結論
通過分析結果可知,制動工況下應力和變形均最大,最大應力為361 MPa,分布如圖5所示。最大變形為3.2mm,位置分布如圖6所示,此種工況出現最大應力和變形的原因是:在該工況下制動力垂直于軸向,產生剪應力,導致組合應力和變形增大,在該工況下,該車橋最大應力接近流動極限,但仍遠小于強度極限,強度安全系數ns=1.9。此時,根據參考文獻雖然車橋不至于斷裂,但安全系數偏小,要求生產過程中,從原材料到制造工藝,都要嚴格控制質量。在使用過程中,要避免超載,且用戶應避免駕車在惡劣路面上高速行駛。在其它兩種工況下應力均不超過200MPa,變形不超過lmm。
筆者利用ANSYS對汽車前軸進行強度有限元計算,并對結果進行分析。通過分析可知,有限元法可以較全面的對汽車結構進行分析,能顯著減少設計與制造費用,增加對所設計產品的信心,減少昂貴的樣機費用。
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