搜索HyperWorks在悬架系统强度分析中的应用
2013-06-06 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
本文针对轿车前悬架强度进行研究,提出了一种基于系统分析思想,综合考虑结构负载与设计构件所受应力之间的联系进行机械结构强度设计。解决了在设计阶段,通常难以确定结构详细应力的问题,因而有效提高了强度设计的准确性与可靠性。
伍建华 彭鸿 来源:ALTAIR
关键字:CAE HyperWorks 轿车前悬架系统 强度
1 前言
悬架的作用是把路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架(或承载式车身)上,保证汽车的正常行驶。悬架系统强度对于整车在行驶过程中的安全性有着至关重要的影响。本文运用有限元法针对某款轿车前悬架系统强度进行分析,为该车悬架设计提供参考。
2 有限元模型的建立
系统总成分析的一般分析思路为:收集系统的模型参数(包括整车相关参数、各零部件的几何模型和连接单元的刚度参数等)建立各零部件的有限元模型、系统总成建模(主要是建立各零部件之间的连接关系)和边界载荷条件、建立分析工况并求解。
建模是有限元分析中一个关键环节,要根据设计人员对系统结构所关心的部位,对工程实际系统进行合理建模与理论简化。该悬架系统的CAD模型在从CATIA软件转换到CAE软件HyperMesh的过程中,要进行诸多模型修改工作。首先要选择合适的单元类型和参数;其次受力大的关键部位要与实际结构和载荷状况准确一致,这样才能准确模拟结构的实际强度;再次要严格控制单元划分的质量,以及根据计算机硬件的配置,严格控制单元的数量,单元形状不好则导致结果误差变大,单元数量过多则导致计算量剧增,对于受力不大的非关键部位,则可以简化处理,例如:不重要的小圆角、倒角等。
副车架、下摆臂等薄板零件采用板壳单元(SHELL)建模,转向拉杆、转向节等较厚的零件采用实体单元(SOLID)建模,对于铰链可以采用刚性单元(JOINT)释放转动自由度来模拟,衬套可以用弹簧单元(CELAS2)来模拟。前悬架系统的有限元模型共有214979个单元,105102个节点(如图1所示),材料弹性模量E=2.1×105MPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7.8×10-9T/mm3。
图1前悬架系统有限元模型
3 强度分析工况和约束条件
根据设计要求,在对悬架进行强度分析时,首先进行轴荷分析。作用于悬架上的荷载包括:车身重量、动力总成重量、电器重量、底盘重量、附件重量、内外饰重量、安全重量、载重重量等,然后根据轴距、轮距、重心到前轮中心距离等参数可以得出前、后轴轴荷。
悬架系统承受路面冲击载荷的大小与车辆行驶的加速度、路面状况和载重量等因素有关,本文主要分析四种典型工况下悬架系统的强度。在正常的工作条件下,悬架系统与车身为螺栓连接,约束该处的所有平动和转动自由度,车辆行驶过程中的路面冲击载荷以力的形式施加到车轮中心(如图2所示),悬架系统有限元分析计算可按静态线弹性小变形问题处理。严格地讲,对于衬套刚度用非线性弹簧模拟更符合实际情况。
图2 前悬架载荷与约束条件
4 分析结果
悬架系统模型经调试无误后,方可进行强度分析。模型求解完毕以后,使用后处理软件HyperView查看各零件的应力大小,以及整个结构变形和应力分布等。悬架系统在四种典型工况下的强度分析结果应力云图如图3所示。
a.工况一应力云图 b.工况二应力云图
c.工况三应力云图 d.工况四应力云图
图3 前悬架系统强度分析结果
悬架系统分析方法能够对副车架、转向节、下摆臂、稳定杆等部件进行整体分析, 为传统零部件分析方法所不及。计算结果确定了悬架系统应力应变水平、分布趋势和高应力点发生的区域和数值,结合材料的性能,可对悬架系统进行强度评价。分析结果的应力极值点所在位置正是实际应用当中悬架系统故障多发的部位,为悬架的结构设计改进提供了依据。
5 结论
系统总成分析的优点:在系统总成的分析中,各个零部件都是以柔性体的形式存在,可以考虑各个零部件的变形对其它相邻部件的影响,同时部件与部件连接处的模拟更接近真实情况,因此与单个零部件分析相比,总成分析的结果精度更高,指导意义更大。另外,从边界和载荷条件来看,系统总成的约束条件比较简单,工况载荷比较容易计算。在悬架总成分析中,只需要对悬架与车身的连接点进行约束就可以了,载荷主要作用在车轮中心,根据整车的相关参数可以很容易求得。
系统总成分析的缺点:在系统总成分析中,需要提供比较准确的弹性元件参数,比如橡胶衬套和弹簧参数,这些参数的准确与否直接影响着载荷在各个连接点的分配,进而影响各零部件的应力分布。另外,就系统总成的分析模型而言,其规模一般都很大,计算时间长,对计算机的性能要求高。
本文利用CAE技术,在较为精确建模的基础上,模拟计算悬架系统结构强度,相对于传统设计,缩短了产品开发周期,提高了设计的可靠性。
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