基于ANSYS Workbench對轉向拉桿各工況的仿真分析

孔丹，馬明生，郭帥

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基于ANSYS Workbench對轉向拉桿各工況的仿真分析

孔丹，馬明生，郭帥

（泰安航天特種車有限公司，山東 泰安 271000）

在汽車整體式轉向系統設計計算過程中，轉向拉桿的設計對轉向系統的工況要求有著重要影響。通常對轉向拉桿的設計計算都以正常轉向工況的極限位置進行設計計算，但是在車輛實際使用過程中，由于特種汽車的使用環境惡劣，駕駛人員不能正確判斷車輛是否可以順利通過。文章將利用ANSYS Workbench軟件模擬拉桿受力情況，確認設計工況是否可以滿足實際使用工況要求。

轉向拉桿；ANSYS Workbench；工況

前言

在汽車整體式轉向系統設計計算過程中，轉向拉桿的設計對車輛行駛工況要求有著重要影響。本文將利用有限元分析軟件模擬拉桿受力情況[1]，對拉桿的三維裝配模型施加載荷，得到拉桿在各種受力情況下的應力分布圖[2]，確認設計工況是否可以滿足實際使用工況要求。

1 拉桿的受力計算

在傳統拉桿設計計算過程中，通常考慮車輛滿載情況下，原地轉向時拉桿的受力情況。本次研究的特種汽車斷裂的拉桿為五橋橫拉桿，因此，對五橋滿載11.2t情況下的原地轉向阻力矩進行計算。

原地轉向阻力矩采用經驗公式進行計算：

橫拉桿最大受力F1= M1/五橋橫拉桿最小力臂長= 22372.6N

根據駕駛員反饋，發生拉桿斷裂時，車輛正在進行爬坡試驗，當路面人員發現車輛三、四橋出現懸空情況時，立即指揮駕駛員停車，從坡上倒車，此時，五橋橫拉桿發生斷裂。

三橋、四橋懸空情況下，五橋載荷已達到30.6t。

2 運用ANSYS Workbench進行有限元分析

2.1 建立三維模型

運用三維建模軟件Pro/e建立五橋橫拉桿的三維模型，橫拉桿兩端球鉸連接，為二力桿，受力方式為拉壓，為簡化模型，將球頭螺紋及調整管不予考慮，故計算時只載荷直接施加于縱拉桿中段，其計算結果與實際結果相近。三維模型如圖1所示。

圖1 五橋橫拉桿三維簡化模型

2.2 進行網格劃分

將五橋橫拉桿三維簡化模型導入ANSYS Workbench1，ANSYS Workbench將自動定義各組件之間的接觸方式，定義模型材料為Q345鋼，對模型自動化分網格。五橋橫拉桿三維簡化模型共劃分成58250個節點，57670個單元，劃分網格后的模型如圖2所示。

圖2 五橋橫拉桿有限元模型

2.3 約束及載荷施加

在ANSYS Workbench中進行約束及載荷施加時，將拉桿一端進行固定約束，用以模擬從動轉向的一側，一端施加壓力，用以模擬拉桿受力。五橋橫拉桿約束及加載情況如圖3所示。

根據本文第1節計算結果，分別施加F1=22372.6N、F2=101037N進行仿真。

圖3 五橋橫拉桿約束及加載情況示意圖

2.4 仿真結果

圖4、圖5分別為應力F1=22372.6N、F2=101037N時，五橋橫拉桿的應力分布圖。

圖4 五橋橫拉桿Von Mises Stress云圖

圖5 五橋橫拉桿Von Mises Stress云圖

2.5 結果分析

本文五橋橫拉桿材料為Q345鋼，抗壓（拉）屈服強度為345Mpa，抗拉強度極限為490 Mpa~620Mpa。取安全系數為1.5[3~4]，五橋橫拉桿的許用應力[σ][5]=490Mpa/1.5=326 MPa。

五橋滿載，原地轉向工況下，五橋橫拉桿最大應力為281MPa，沒有超過許用應力[σ]=326MPa，即此工況可以滿足拉桿工作性能要求。

三、四橋懸空，原地轉向工況下，五橋橫拉桿最大應力為1677.1MPa，超過許用應力[σ]=326MPa，即不能滿足拉桿工作性能要求。需對此拉桿結構進行優化，提高安全系數，并加強操作人員培訓，嚴禁車輛滿載三、四橋懸空的工況下行車。

3 總結

本文通過Pro/e三維建模以及ANSYS有限元分析，分別模擬了五橋橫拉桿在設計工況及實際工況受力情況，得到了最大應力的具體數值，為確定該設計工況是否符合實際要求提供了有力依據。但這僅是一種模擬分析計算，只能作為一種參考數據，與實際情況仍然存在一定的差距[6]。因此，后續將制作試驗樣件，建立力學實驗臺，對拉桿進行各工況環境下的試驗，確保數據真實、可靠。

[1] 孫新民.現代設計方法實用教程[M].北京:人民郵電出版社, 1999.

[2] 謝里陽.現代機械設計方法[M] .北京:機械工業出版社, 2005.

[3] 劉鴻文.材料力學[M].北京:高等教育出版社, 2004.

[4] 徐灝.機械設計手冊（第五卷）[M].北京:機械工業出版社,1991.

[5] 濮良貴,紀名剛. 機械設計（第八版）[M].高等教育出版社出版. 2006(5).

[6] Ming,Jie, Liu,Zhizhang, Zhang,Qingzhu. Solar photovoltaic panels wind load testing and analysis[Z]. 2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering,MACE2010,Wuhan, China, 2010:1632-1635.

The Force Analysis of Steering Rod under Various Working Conditions Based on ANSYS Workbench

Kong Dan, Ma Mingsheng, Guo Shuai

( Taian Aerospace Special Vehicle CO., LTD, Shandong Taian 271000 )

In the design and calculation of steering rod have important influence on the working condition of steering system. Generally, the design and calculation of steering rod are based on the limit position of normal steering conditions. However, in the actual use of vehicles, due to the harsh use environment of special vehicles, drivers cannot correctly judge whether the vehicles can pass smoothly. In this paper, ANSYS Workbench software is used to simulate the stress of the tie rod to confirm whether the design working condition can meet the requirements of the actual working condition.

steering rod; ANSYS Workbench; working conditions

B

1671-7988(2019)03-105-02

U467

B

1671-7988(2019)03-105-02

U467

孔丹，女，碩士研究生，就職于泰安航天航天特種車有 限公司，從事汽車底盤設計研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.032