基于ANSYS平臺的方向機(jī)彎梁強(qiáng)度分析

王瑞平?王瑞芳

摘要：汽車作為一種現(xiàn)代化的交通工具，和人們的生活息息相關(guān)。文章針對某款公交客車的方向機(jī)彎梁出現(xiàn)斷裂這一現(xiàn)象，利用ANSYS仿真分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，獲得各部位的最大應(yīng)力值，分析該應(yīng)力值是否滿足材料的最大許用應(yīng)力值，對于不滿足需用應(yīng)力的位置給出改進(jìn)方案，為設(shè)計人員提供改進(jìn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：ANSYS平臺；方向機(jī)彎梁；結(jié)構(gòu)斷裂；強(qiáng)度分析；改進(jìn)方案 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TH248 文章編號：1009-2374（2015）03-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0204

隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，世界汽車工業(yè)已取得了令人矚目的成就，正朝著安全、舒適、環(huán)保、節(jié)能的方向前進(jìn)，其中汽車乘坐的舒適性更是人們追求高品質(zhì)生活的重要體現(xiàn)。汽車行駛平順性的好壞直接影響著汽車乘坐的舒適性，研究轎車、重型汽車的行駛平順性也成為國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃重點(diǎn)項目：轎車集成開發(fā)先進(jìn)技術(shù)（2006AA110102）的子課題“轎車底盤匹配與性能優(yōu)化”的一部分和重型商用車集成開發(fā)先進(jìn)項目（2006AA110104）的子課題“底盤集成匹配與性能優(yōu)化”的一部分。在這一研究背景下，本文以新的理論與方法對汽車行駛平順性仿真的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討與研究，并將其應(yīng)用到轎車和重型汽車的行駛平順性分析中。有限元法是工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一種數(shù)值計算方法，它不但可以解決工程設(shè)計中的結(jié)構(gòu)分析問題，同時更夠很好地解決熱力學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)已及聲學(xué)等學(xué)科問題。經(jīng)過多年發(fā)展，以有限元法為基礎(chǔ)，開發(fā)出了眾多優(yōu)秀的有限元仿真分析軟件，ANSYS便是其中之一。

ANSYS軟件是由ANSYS公司開發(fā)，集結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析與一體的大型通用有限元分析軟件，該軟件可以廣泛應(yīng)用于航空航天、土木工程、機(jī)械制造、車輛工程、電子、造船等眾多領(lǐng)域。

客車作為一種以運(yùn)載人為目的的交通工具，其安全性一直是首要目標(biāo)。傳統(tǒng)的設(shè)計流程是先設(shè)計，接著制作樣機(jī)，然后檢驗樣機(jī)性能，發(fā)現(xiàn)不足后再次調(diào)整設(shè)計結(jié)構(gòu)，直到使樣機(jī)滿足使用性能要求。現(xiàn)在，隨著CAD、CAE軟件的逐步完善，利用軟件便可以完成結(jié)構(gòu)的分析，從而找出薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行早期更改，直到滿足要求。方向機(jī)是車量的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，方向機(jī)支架則是整個方向機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)，方向機(jī)支架結(jié)構(gòu)是否符合強(qiáng)度要求，直接關(guān)系著方向機(jī)能夠正常工作，而方向機(jī)彎梁則是方向機(jī)支架底端與車架相連的結(jié)構(gòu)，因此方向機(jī)彎梁的安全性直接關(guān)系到客車的安全性。

針對某型號客車方向機(jī)彎梁焊接位置出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，對彎梁整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行分析。采用有限元仿真分析軟件ANSYS對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并且仿真，獲得斷裂位置處的應(yīng)力值，與材料許用應(yīng)力值進(jìn)行比較，得出分析結(jié)果，在確定結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)之后，給出調(diào)整方案。

方向機(jī)彎梁處使用的型材為160×60×4.5mm的矩形管，材質(zhì)為WL510，屈服強(qiáng)度為355MPa，許用應(yīng)力的計算公式為：

[σ]=δs/n

其中安全系數(shù)n的取值范圍為1.5～2.5，此處分別對安全系數(shù)的兩個邊界值進(jìn)行計算，用[σ]WLmax表示W(wǎng)L510能夠承受的最大許用應(yīng)力，用[σ]WLmin表示W(wǎng)L510能夠承受的最小許用應(yīng)力，計算后得到結(jié)果為：

[σ]WLmax=237MPa

[σ]WLmin=102MPa

之后對方向機(jī)彎梁處的幾個重要部件進(jìn)行建模，幾何模型如圖1所示：

完成幾何模型之后，定義模型的單元類型及相關(guān)參數(shù)，劃分網(wǎng)格，施加約束與載荷，最后獲得完整的有限元模型。本文模型均采用shell63單元，實常數(shù)分別設(shè)定為0.003m、0.0045m和0.012m，彈性模量為2.1e11Pa，泊松比為0.3，密度為7.8e3kg/m3，根據(jù)底盤項目組給定的載荷，扭矩為3219N·m，方向機(jī)總成重量為48kg，設(shè)計人員要求，為扭矩乘以1.2的安全系數(shù)，圓整數(shù)據(jù)后最終得到扭矩值為3900N·m，由于在運(yùn)動的過程中存在動載荷，因此乘以動載系數(shù)2，圓整后獲得的重力為1000N；又因為方向機(jī)總成與腹板是以三枚螺栓螺母連接，因此本文中將產(chǎn)生的扭矩均勻分布到三點(diǎn)處，即每點(diǎn)處產(chǎn)生1300N·m，轉(zhuǎn)換切向力，方法為用扭矩除以距離中心點(diǎn)處的距離（力臂），分別得到三點(diǎn)處的作用力，分別為8450N、13265N和13000N，另外將方向機(jī)的重量加載到扭轉(zhuǎn)中心點(diǎn)處。

對以上的模型進(jìn)行求解，求解完成進(jìn)入后處理查看，節(jié)點(diǎn)的von Mises stress云圖如圖2所示：

圖上得到的應(yīng)力最大值處為腹板與彎梁連接位置，該位置不是重點(diǎn)考慮位置，所以在文中不做過多分析。文中重點(diǎn)分析的部位為彎梁焊接位置，即折彎部位，據(jù)圖3的應(yīng)力云圖可知，彎梁焊接位置處應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在拐點(diǎn)處，也就是說，只要找出該位置處的應(yīng)力值，即能夠知道焊接位置處承受的最大應(yīng)力值，拐點(diǎn)處的最大應(yīng)力值如圖4所示：

從圖4中能夠清楚地看到，拐點(diǎn)處的最大應(yīng)力值為235MPa，該值與開始得到的最大許用應(yīng)力相比，基本持平，也就是說，此處結(jié)構(gòu)比較薄弱，如果再將焊接等工藝因素考慮進(jìn)去，這里是很容易產(chǎn)生斷裂的。

完成仿真計算之后，對于該結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出改進(jìn)方案，是本文的另一重點(diǎn)。通過對整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，力是通過腹板傳到彎梁的，也就是說，越靠近彎梁的位置，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值也就越大，因此，就能夠得到以下三種改進(jìn)方案：（1）在腹板上增加連接桿，從而達(dá)到分擔(dān)傳遞到彎梁上力和扭矩的目的；（2）將焊接位置盡可能地遠(yuǎn)離彎梁與腹板的連接位置；（3）在彎折位置處增加扒角，分散作用在該位置處的變形力。

以上三種方法分別從力的源頭到力具體的作用位置進(jìn)行了相應(yīng)的加強(qiáng)，但是，考慮到整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在腹板與彎梁的連接位置，且已經(jīng)超過了材料本身的屈服強(qiáng)度，建議優(yōu)先采用第一種方案，這樣做的好處是均攤了整個結(jié)構(gòu)所承受的力；其次選用第二種方案，該方案在一定程度上減緩焊接位置處的受力；如果前面兩種方案由于空間限制等因素均無法實施，最后再采用第三種方案，第三種方案是在斷裂位置進(jìn)行加強(qiáng)，這樣做可以在一定程度上分散斷裂位置的受力情況。

本文通過有限元仿真分析軟件ANSYS對方向機(jī)彎梁處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度分析，通過分析結(jié)果與材料屈服進(jìn)行對比，找出彎梁結(jié)構(gòu)處的薄弱環(huán)節(jié)，針對出現(xiàn)的斷裂問題給出具體改進(jìn)方案。文章給出了一種結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品開發(fā)的有益思路，可以提升開發(fā)速度，降低開發(fā)投入，為企業(yè)增產(chǎn)降耗做出貢獻(xiàn)。

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作者簡介：王瑞平（1986-），男，中船重工中南裝備有限責(zé)任公司技術(shù)中心助理工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計及仿真分析；王瑞芳（1990-），女，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程專業(yè)在讀研究生，研究方向：微電網(wǎng)技術(shù)、仿真應(yīng)用。

（責(zé)任編輯：周 瓊）