Abaqus在轻型商用车后桥总成强度分析中的应用

汽车后桥总成作为车辆的一个重要的承载部件,其质量对车辆的安全性和可靠性具有重要影响。本文以某款轻型商用车后桥总成为分析对象,利用有限元软件Abaqus对后桥总成的结构强度进行了非线性有限元分析,分别模拟了转向工况和垂直跳动工况,分析结果表明后桥总成满足结构强度设计要求。

1 前言

    汽车后桥总成作为车辆的一个重要的承载部件,传递着车架与路面之间各个方向的作用力,其质量对车辆的安全性和可靠性具有重要影响。因而,对其进行结构强度分析具有非常重要的意义。有限元前处理软件HyperMesh是一款高效快捷的网格处理软件,针对复杂模型可以很方便地生成高质量的网格。同时HyperMesh与CAD软件、求解软件都有丰富的接口。有限元软件Abaqus针对复杂的非线性问题提供了强大的有限元理论解决方案,可以方便地解决汽车仿真分析中的各种问题,被广泛应用于汽车整车、子系统及零部件的仿真分析中。

    本研究选用HyperWorks作为前后处理工具,Abaqus求解器对汽车座椅塑料件进行有限元分析。HyperMesh软件是美国Altair 公司的产品,是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包,也是一个创新、开放的企业级CAE平台,它集成了设计与分析所需的各种工具,具有强大的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。在CAE领域,HyperMesh最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格前处理和后处理功能。同时HyperMesh支持很多不同的求解器输入输出格式,这样在利用HyperMesh划分好模型的有限元网格后,可以直接把计算模型转化成不同的求解器文件格式。

    Abaqus被广泛地认为是功能最强的有限元软件,可以分析复杂的固体力学结构力学系统,特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。Abaqus不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析,同时还可以做系统级的分析和研究。由于Abaqus优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使其被广泛地用于各国的工业和研究中。

    本文以某款轻型商用车后桥总成作为分析对象,利用HyperMesh软件作为前处理软件,有限元软件Abaqus作为求解器,对后桥总成的结构强度进行了接触非线性有限元分析,分别模拟了转向工况和垂直跳动工况,得到后桥总成的应力分布情况。分析结果表明,后桥总成能够满足结构强度的设计要求。

2 分析描述

    2.1 理论背景

    2.1.1 弹性力学的基本方程

    (1)平衡方程:

    (2)几何方程:

    (3)本构方程:

    其中

    如果解出应力σij,则上式可以转换为

   

    求解弹性力学的控制方程的目的在于求出物体内各点的应力场和位移场。

    2.1.2 边界条件

    弹性体V的全部边界条件为S。一部分边界条件上已知外力T_x,T_y,T_z,称为力的边界条件,这部分边界条件用S_σ表示;另一部分边界上弹性体的位移已知,称为几何边界条件或位移边界条件,这部分边界条件用S_u 表示。这两部分的边界条件构成弹性体的全部边界,即:

S_σ+S_μ=S

    (1)力的边界条件

    给定物体的体力和面力,求在平衡状态下的应力场和位移场,即所谓边界应力已知的问题。

    弹性体在边界上单位面积的内力为T_x,T_y,T_z,在边界S_σ上已知弹性体单位面积上作用的面积力为T_x,T_y,T_z,根据平衡有:

    T=T(在S_σ上)

    其中,T=nσ

    设边界外法线为N,其余弦为n_x,n_y,n_z

   

    (2)几何边界条件

    给定物体的体力和物体表面各点的位移,求在平衡状态下的应力场和物体内部的位移场,即所谓边界位移已知的问题。

    在S_u上弹性体的位移已知,根据平衡有:

  

    (3)混合边界问题

    在物体表面上一部分给定面力,其余部分给定位移(或在部分表面上给定外力和位移关系)的条件下求解上述问题。即所谓混合边值问题。

    一般处理的方法有:

    ①位移法。用位移作为基本未知量来求解边值问题。将一切位置量和基本方程都转化为用位移表示(给定位移边界条件)。

    ②应力法。用应力作为基本未知量来求解边值问题。将一切未知量和基本方程都转换为用应力表示(给定应力边界条件)。

    ③混合法。解决第三类边值问题。

    2.1.3 弹性体的应变能和余能

    单位体积的应变能(应变能密度):

    应变能是个正定函数,只有当弹性体内所有的点都没有应变时,应变能才为零。

    单位体积的余能(余能密度):

    余能也是个正定函数,在线弹性力学中弹性体的应变能等于余能。