基于ABAQUS的汽車前軸臺(tái)架試驗(yàn)仿真模型優(yōu)化

曹 凱，林瑋靜，孔 卓

（中國(guó)重汽集團(tuán)汽車研究總院，山東 濟(jì)南 250101）

引言

汽車前軸臺(tái)架試驗(yàn)是檢測(cè)前軸產(chǎn)品質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)的重要方法。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，有限元仿真技術(shù)已成汽車前軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及可靠性驗(yàn)證的重要手段。孔振海等[1]利用 Hypermesh 建立前橋有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞分析，驗(yàn)證前橋的剛度及疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求；馮美波[2]利用ANSYS/Workbench分析前軸主銷孔處運(yùn)用ANSYS的變形量與前軸最大轉(zhuǎn)角的關(guān)系，最終確定了前軸的剛度；徐玉萍和方姣[3]運(yùn)用Hypermesh和Ncode進(jìn)行前軸仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果分析，對(duì)前軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

作為汽車重要承載件之一，前軸研發(fā)是汽車設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)[4]。現(xiàn)階段前軸研究的側(cè)重點(diǎn)在于運(yùn)用CAE仿真結(jié)果對(duì)前軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析改進(jìn)，而前軸的有限元模型的搭建并無統(tǒng)一規(guī)范，故無法保證仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)的一致性。

1 前軸CAE仿真模型的初步建立

為保證前軸有限元仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的一致性，模擬某重卡前軸在臺(tái)架上的實(shí)際裝配，去除對(duì)仿真結(jié)果影響較小的橫拉桿球頭、主銷限位螺釘?shù)攘慵⑷コ龑?duì)結(jié)果影響較小的零件倒角、小孔等特征[4]，完成了CAE模型的創(chuàng)建，見圖1。

圖 1 前軸CAE仿真模型

CAE 模型單元類型采用C3D10M四面體，網(wǎng)格劃分方法為自由劃分網(wǎng)格，產(chǎn)生單元格數(shù)量 1 287 350個(gè)。推力軸承設(shè)置為剛性體，其余零件設(shè)置為彈性體。強(qiáng)度試驗(yàn)加載最小載荷75 kN，最大載荷217.5 kN，載荷通過參考點(diǎn)RP1、RP2施加在兩板簧座上，主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)、前軸接觸，推力軸承于轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸端面接觸。整個(gè)模型的邊界條件設(shè)置為約束兩車輪接地點(diǎn) RP5、RP6 的 X、Z方向移動(dòng)自由度和Y、Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并釋放 Y方向移動(dòng)自由度和X方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。零件材料設(shè)置見表1，前軸CAE模型實(shí)體之間相互作用關(guān)系見表 2。

表1 零件材料及參數(shù)

表 2 前軸CAE模型實(shí)體之間相互作用關(guān)系

主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)孔之間存在轉(zhuǎn)向阻尼摩擦，由于摩擦力較小，對(duì)前軸仿真結(jié)果無影響，因此接觸對(duì)屬性設(shè)置為無摩擦；主銷與前軸主銷孔之間的接觸關(guān)系設(shè)置為過盈配合，前軸與推力軸承、推力軸承與轉(zhuǎn)向節(jié)之間為平面-平面接觸對(duì)，接觸面設(shè)置摩擦參數(shù)，以摩擦力約束推力軸承的移動(dòng)自由度；轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向橫拉桿臂之間通過螺栓連接緊固，可采用綁定約束（Tie）代替。

由于轉(zhuǎn)向橫拉桿球頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以保證CAE模型中接觸關(guān)系與實(shí)際的一致性，而該結(jié)構(gòu)對(duì)前軸仿真結(jié)果無影響，因此將球頭簡(jiǎn)化為兩個(gè)參考點(diǎn)，通過點(diǎn)-面之間運(yùn)動(dòng)耦合（Kinematic coupling）的方式替代轉(zhuǎn)向橫拉桿與橫拉桿臂的接觸關(guān)系。

2 臺(tái)架試驗(yàn)前軸CAE模型的合理性驗(yàn)證

為獲取前軸應(yīng)力值，在前軸上取7個(gè)測(cè)點(diǎn)，臺(tái)架試驗(yàn)按照測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)變片貼片，見圖2。試驗(yàn)載荷范圍75～217.5 kN，試驗(yàn)按照《汽車前軸臺(tái)架疲勞壽命試驗(yàn)方法》（QC/T 513—1999）進(jìn)行[5]。

圖 2 前軸應(yīng)變片貼片位置/mm

將前軸CAE模型導(dǎo)入ABAQUS/Standard進(jìn)行仿真分析，加載載荷與臺(tái)架試驗(yàn)保持一致。以加載217.5 kN時(shí)所得前軸的理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果作為分析對(duì)象，前軸應(yīng)力及位移云圖見圖3。

圖 3 前軸應(yīng)力云圖

仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果見表3，由表3可得：仿真與臺(tái)架試驗(yàn)之間存在一定偏差，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力偏差范圍7.48%～14.50%，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的偏差在15%以內(nèi)時(shí)可認(rèn)為誤差在合理范圍內(nèi)，因此，該模型能夠較為精確地還原臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果。

表 3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 前軸CAE模型簡(jiǎn)化

為消除網(wǎng)格大小對(duì)仿真結(jié)果的影響，經(jīng)反復(fù)仿真驗(yàn)證，將網(wǎng)格種子密度設(shè)置為2。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)果顯示：（1）CAE 模型中部件之間存在多種相互作用關(guān)系，因此，對(duì)網(wǎng)格單元的大小及質(zhì)量要求較高，仿真計(jì)算時(shí)需占用大量電腦內(nèi)存空間，電腦配置過低時(shí)甚至無法完成仿真分析；（2）CAE模型中部件之間相互作用關(guān)系類型復(fù)雜，任何一個(gè)作用關(guān)系設(shè)置不準(zhǔn)確都會(huì)導(dǎo)致仿真報(bào)錯(cuò)；（3）復(fù)雜的相互作用關(guān)系導(dǎo)致CAE模型太大，仿真時(shí)間過長(zhǎng)，增加了不必要的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間。

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析中，處理含有接觸關(guān)系的有限元模型時(shí)，其有效手段在于正確設(shè)置接觸關(guān)系和定義邊界條件[6]。大部分接觸分析不收斂問題，都是由接觸關(guān)系的錯(cuò)誤設(shè)置及自由度不合理約束導(dǎo)致。合理接觸關(guān)系的設(shè)置主要包括正確定義接觸面、接觸屬性及接觸參數(shù)等，而合理的邊界條件可以保證模型不會(huì)產(chǎn)生過約束及欠約束，從而保證模型不產(chǎn)生大的剛體位移。除此之外，處理模型時(shí)經(jīng)常遇到接觸關(guān)系較為復(fù)雜的問題，復(fù)雜的接觸關(guān)系通常會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果的不收斂[7-9]，若該裝配關(guān)系對(duì)仿真目標(biāo)無影響時(shí)，合理的運(yùn)用耦合約束（coupling constraint）代替復(fù)雜的接觸關(guān)系，可以有效解決模型不收斂問題，并能夠保證仿真結(jié)果的可靠性。

前軸CAE模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。模型中各實(shí)體之間的相互作用替代關(guān)系見表4，所得簡(jiǎn)化模型見圖4。

表 4 簡(jiǎn)化前后前軸 CAE 模型相互作用關(guān)系對(duì)比

圖 4 簡(jiǎn)化后的前軸臺(tái)架試驗(yàn)CAE模型

在簡(jiǎn)化模型中，去掉主銷和推力軸承，從而減少了接觸對(duì)數(shù)量。將主銷簡(jiǎn)化成參考點(diǎn)RP5（RP6），將RP5（RP6）與轉(zhuǎn)向節(jié)上下主銷孔進(jìn)行Kinematic coupling耦合約束，并限制Y、Z方向的移動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、以此代替主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)主銷孔的表面接觸對(duì)，見圖5（a）。將RP5（RP6）與前軸主銷孔進(jìn)行disiribute coupling耦合，限制X、Y、Z三個(gè)方向上的所有轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)自由度，以此代替主銷與前軸主銷孔的過盈配合接觸對(duì)，見圖5（b）。將推力軸承簡(jiǎn)化成參考點(diǎn)RP7（RP8），將RP7（RP8）與前軸拳部下端面、轉(zhuǎn)向節(jié)下端面進(jìn)行Kinematic coupling耦合，將參考點(diǎn)RP7（RP8）與前軸下端面完全固定，即限制前軸下端面相對(duì)于 RP7（RP8）的所有轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)自由度，另一方端限制轉(zhuǎn)向節(jié)端面相對(duì)于RP7（RP8）的X方向移動(dòng)自由度，以此代替推力軸承與轉(zhuǎn)向節(jié)、前軸的面接觸對(duì)，見圖5（c）。CAE模型的其他相互作用關(guān)系保持不變。

圖 5 簡(jiǎn)化后模型各實(shí)體之間的相互作用關(guān)系

將簡(jiǎn)化后的前軸臺(tái)架CAE模型導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與原 CAE模型的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表5。

表 5 前軸CAE模型簡(jiǎn)化前后仿真結(jié)果對(duì)比

對(duì)比前軸CAE模型簡(jiǎn)化前后的仿真結(jié)果，簡(jiǎn)化前后的仿真分析結(jié)果誤差范圍為0.57%～5.4%，誤差較小。前軸臺(tái)架試驗(yàn)簡(jiǎn)化CAE模型的還原度高，且仿真時(shí)長(zhǎng)較簡(jiǎn)化前有明顯縮短。

4 結(jié)語(yǔ)

基于ABAQUS對(duì)前軸臺(tái)架試驗(yàn)的仿真模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化CAE模型有效解決了由于復(fù)雜接觸導(dǎo)致的仿真計(jì)算收斂困難的問題，縮短仿真計(jì)算時(shí)間，提高了前軸設(shè)計(jì)效率，規(guī)范了前軸臺(tái)架試驗(yàn)力學(xué)仿真模型的建模過程。