基于ANSYS平臺的方向機彎梁強度分析

王瑞平?王瑞芳

摘要：汽車作為一種現代化的交通工具，和人們的生活息息相關。文章針對某款公交客車的方向機彎梁出現斷裂這一現象，利用ANSYS仿真分析軟件進行結構強度分析，獲得各部位的最大應力值，分析該應力值是否滿足材料的最大許用應力值，對于不滿足需用應力的位置給出改進方案，為設計人員提供改進依據。

關鍵詞：ANSYS平臺；方向機彎梁；結構斷裂；強度分析；改進方案 文獻標識碼：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

隨著社會的發展和科學技術的進步，世界汽車工業已取得了令人矚目的成就，正朝著安全、舒適、環保、節能的方向前進，其中汽車乘坐的舒適性更是人們追求高品質生活的重要體現。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高技術研究發展計劃重點項目：轎車集成開發先進技術（2006AA110102）的子課題“轎車底盤匹配與性能優化”的一部分和重型商用車集成開發先進項目（2006AA110104）的子課題“底盤集成匹配與性能優化”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鍵技術進行了探討與研究，并將其應用到轎車和重型汽車的行駛平順性分析中。有限元法是工程領域應用最廣泛的一種數值計算方法，它不但可以解決工程設計中的結構分析問題，同時更夠很好地解決熱力學、電磁學、流體力學已及聲學等學科問題。經過多年發展，以有限元法為基礎，開發出了眾多優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，集結構、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，該軟件可以廣泛應用于航空航天、土木工程、機械制造、車輛工程、電子、造船等眾多領域。

客車作為一種以運載人為目的的交通工具，其安全性一直是首要目標。傳統的設計流程是先設計，接著制作樣機，然后檢驗樣機性能，發現不足后再次調整設計結構，直到使樣機滿足使用性能要求。現在，隨著CAD、CAE軟件的逐步完善，利用軟件便可以完成結構的分析，從而找出薄弱環節，進行早期更改，直到滿足要求。方向機是車量的轉向系統，方向機支架則是整個方向機的支撐結構，方向機支架結構是否符合強度要求，直接關系著方向機能夠正常工作，而方向機彎梁則是方向機支架底端與車架相連的結構，因此方向機彎梁的安全性直接關系到客車的安全性。

針對某型號客車方向機彎梁焊接位置出現斷裂的現象，對彎梁整體結構的強度進行分析。采用有限元仿真分析軟件ANSYS對該結構進行建模并且仿真，獲得斷裂位置處的應力值，與材料許用應力值進行比較，得出分析結果，在確定結構有待改進之后，給出調整方案。

方向機彎梁處使用的型材為160×60×4.5mm的矩形管，材質為WL510，屈服強度為355MPa，許用應力的計算公式為：

[σ]=δs/n

其中安全系數n的取值范圍為1.5～2.5，此處分別對安全系數的兩個邊界值進行計算，用[σ]WLmax表示WL510能夠承受的最大許用應力，用[σ]WLmin表示WL510能夠承受的最小許用應力，計算后得到結果為：

[σ]WLmax=237MPa

[σ]WLmin=102MPa

之后對方向機彎梁處的幾個重要部件進行建模，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參數，劃分網格，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，實常數分別設定為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，根據底盤項目組給定的載荷，扭矩為3219N·m，方向機總成重量為48kg，設計人員要求，為扭矩乘以1.2的安全系數，圓整數據后最終得到扭矩值為3900N·m，由于在運動的過程中存在動載荷，因此乘以動載系數2，圓整后獲得的重力為1000N；又因為方向機總成與腹板是以三枚螺栓螺母連接，因此本文中將產生的扭矩均勻分布到三點處，即每點處產生1300N·m，轉換切向力，方法為用扭矩除以距離中心點處的距離（力臂），分別得到三點處的作用力，分別為8450N、13265N和13000N，另外將方向機的重量加載到扭轉中心點處。

對以上的模型進行求解，求解完成進入后處理查看，節點的von Mises stress云圖如圖2所示：

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

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

完成仿真計算之后，對于該結構進行分析，找出改進方案，是本文的另一重點。通過對整體結構的應力云圖進行分析發現，力是通過腹板傳到彎梁的，也就是說，越靠近彎梁的位置，結構的應力值也就越大，因此，就能夠得到以下三種改進方案：（1）在腹板上增加連接桿，從而達到分擔傳遞到彎梁上力和扭矩的目的；（2）將焊接位置盡可能地遠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行了相應的加強，但是，考慮到整體結構的最大應力值出現在腹板與彎梁的連接位置，且已經超過了材料本身的屈服強度，建議優先采用第一種方案，這樣做的好處是均攤了整個結構所承受的力；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行加強，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對方向機彎梁處的結構進行了強度分析，通過分析結果與材料屈服進行對比，找出彎梁結構處的薄弱環節，針對出現的斷裂問題給出具體改進方案。文章給出了一種結構類產品開發的有益思路，可以提升開發速度，降低開發投入，為企業增產降耗做出貢獻。

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作者簡介：王瑞平（1986-），男，中船重工中南裝備有限責任公司技術中心助理工程師，研究方向：機械設計及仿真分析；王瑞芳（1990-），女，內蒙古工業大學工程專業在讀研究生，研究方向：微電網技術、仿真應用。

（責任編輯：周 瓊）