基于有限元的某車前懸架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

楊延勇

北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519085

0 引言

Hypermesh是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，受到的載荷也相當(dāng)多，理論分析往往無法進(jìn)行。想要解答，必須先簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生，Hypermesh軟件在工程上應(yīng)用相當(dāng)?shù)膹V泛，也都能達(dá)到某種程度的可信度，同時(shí)使用該軟件，能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

本文對(duì)某微車的前懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，其采用的前懸架為麥弗遜式懸架，即滑柱擺臂式懸架。這種前懸架的結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中的受力狀況都比較復(fù)雜。對(duì)其進(jìn)行有限元分析不僅可以得到在各種典型工況下其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布規(guī)律和變形情況，檢驗(yàn)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還能進(jìn)一步揭示各種載荷（垂直力、縱向力、制動(dòng)力和側(cè)向力）對(duì)麥弗遜式懸架應(yīng)力分布的影響，為疲勞強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)改進(jìn)、確定應(yīng)力測(cè)量時(shí)應(yīng)變片的布置和合理進(jìn)行疲勞試驗(yàn)提供參考數(shù)據(jù)[1]。

1 工況的確定

根據(jù)我國(guó)目前的實(shí)際路況，本文對(duì)如下四種典型的工況進(jìn)行有限元分析和計(jì)算：

1）微車起動(dòng) 前懸架受沖擊載荷作用，驅(qū)動(dòng)力達(dá)到最大；

2）在中等路面上行駛 對(duì)前懸進(jìn)行一般的疲勞強(qiáng)度分析和計(jì)算，此時(shí)車輪著地點(diǎn)受到脈動(dòng)的垂直載荷、驅(qū)動(dòng)力以及交變的側(cè)向力；

3）在微車轉(zhuǎn)彎時(shí) 此時(shí)前懸架有最大的側(cè)向力；

4）行車制動(dòng)工況下 前懸架受沖擊載荷作用，車輪抱死且受到最大的縱向力[2]。

2 前懸架有限元模型的建立

圖1 前懸架總成的有限元模型

某微車的前懸架總成結(jié)構(gòu)為筒式減振器的上端用螺栓和橡膠墊圈與車身連接，減振器缸筒下端固定在轉(zhuǎn)向節(jié)上，而轉(zhuǎn)向節(jié)通過球鉸與橫擺臂連接。車輪所受的側(cè)向力通過轉(zhuǎn)向節(jié)大部分由橫擺臂承受，其余部分由減振器承受。

本文使用Hypermesh軟件對(duì)前懸架總成的橫擺臂和副車架進(jìn)行強(qiáng)度校核。圖1是前懸架總成的有限元模型。

3 前懸架結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算及分析

根據(jù)上文提到的4種典型的工況，確定它們所受到的應(yīng)力，并檢驗(yàn)其是否在許可的設(shè)計(jì)強(qiáng)度范圍之內(nèi)。

3.1 橫擺臂結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析

由計(jì)算所得應(yīng)力值并對(duì)照模型可以得到：1）在工況a的最大應(yīng)力值為=284.9MPa；2）在工況b的最大應(yīng)力值為=324.2MPa；3）在工況c的最大應(yīng)力值為=245.5MPa；4）在工況d的最大應(yīng)力值為=306.3MPa。

通過有限元計(jì)算，可知前懸架橫擺臂在各種工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力都小于材料的抗拉強(qiáng)度（=328.5MPa），說明強(qiáng)度是足夠的。此外，各工況的最大應(yīng)力均發(fā)生在前懸架擺臂的連接處，并呈離擺臂連接處越遠(yuǎn)應(yīng)力值越小的分布規(guī)律，與實(shí)際情況相符。

3.2 副車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析

副車架是承受發(fā)動(dòng)機(jī)重量的主要結(jié)構(gòu)，下面對(duì)其在不同工況狀態(tài)下的應(yīng)力變形進(jìn)行分析。由其應(yīng)力分布可得：1）起動(dòng)時(shí)，副車架受到的最大應(yīng)力為69.76MPa；2）在中等路面上行駛時(shí)，最大應(yīng)力為75.84MPa；3）在工況c的最大的應(yīng)力為289.9MPa，去除連接因素的影響它的最大應(yīng)力為198.3MPa；4）在工況d的最大的應(yīng)力為339.1MPa，去除連接因素的影響它的最大應(yīng)力為235.2MPa。

可以看到副車架在各種工況下的最大應(yīng)力是235.2MPa，小于材料的最大屈服極限（=285.9MPa），因此副車架設(shè)計(jì)方案符合對(duì)應(yīng)力的要求。通過以上的分析和計(jì)算，可以基本掌握副車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為進(jìn)一步改進(jìn)其結(jié)構(gòu)提供必要的理論依據(jù)。

4 結(jié)論

通過對(duì)前懸架總成的橫擺臂和副車架的有限元分析，得到了該結(jié)構(gòu)在加載過程中，不同工況狀態(tài)下的最大應(yīng)力，可以用于支撐橫擺臂和副車架的受力分析以及指導(dǎo)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。經(jīng)過比較計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的偏差。但是總體誤差不大，仍在允許范圍之內(nèi)。這就證明Hypermesh軟件做出的有限元計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)際情況，適合于前懸架的結(jié)構(gòu)分析并能很好的指導(dǎo)其優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，有限元分析已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于新產(chǎn)品的開發(fā)中，隨著新產(chǎn)品開發(fā)速度的加快，有限元分析必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

[1]田應(yīng)剛,王霄鋒，等.轎車前懸架的有限元分析[J].北京：清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001

[2]朱文學(xué)，鄭惠強(qiáng)，石來德.桑塔納2000型轎車前懸架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析[J].設(shè)計(jì)·計(jì)算·研究，1998.