基于虛擬樣機技術的汽車主軸瞬態動力學分析

王利 龍昌平 梁金連

摘要：汽車主軸是汽車生產制造過程中的重要關鍵部件，汽車主軸在工作過程中會產生震動，震動的頻率會影響汽車設備的正常工作運行。汽車主軸在轉動過程中會產生較大的沖擊以及出現翻轉不平穩等問題，針對這些問題將主軸的動態變化扭矩和軸承對主軸的約束等載荷充分予以考慮，基于虛擬樣機采用ANSYS軟件對汽車主軸建立有限元模型并進行瞬態動力學分析，得到了動態變化扭矩作用下的汽車主軸應力云圖和位移云圖。分析表明主軸在兩個極端位置的沖擊比較大，為主軸的結構優化設計和后續動力學研究提供了參考。

關鍵詞：汽車主軸;瞬態動力學分析;有限元法;虛擬樣機

中圖分類號：U463;U461.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0063-02

0? 引言

隨著經濟全球化和科學技術的迅猛發展，人們對環境保護、綠色低碳、清潔能源、主被動安全性、輕量化設計等問題日益關注，使其對汽車主軸的性能和使用提出了更高的要求。利用有限元分析方法和虛擬樣機技術對汽車主軸進行瞬態動力學分析，就可以得到主軸在動態激勵過程中任意時刻任意位置的應力應變值和變形大小。使開發設計人員通過虛擬樣機和虛擬仿真技術得到對汽車主軸性能的直觀感受，為汽車主軸的結構優化和性能優化提供了重要參考和依據。

1? 瞬態動力學分析理論基礎

1.1 瞬態動力學分析的定義

瞬態動力分析用于確定受隨時間變化的載荷的結構動力響應。結構在承受靜態、瞬態及諧波載荷或其合成載荷作用下，通過瞬態動力分析法可以計算得到結構內部任意位置隨時間變化的應力應變值和位移大小。與靜力分析不同的地方在于瞬態動力分析屬于結構動力分析，后者需要將隨時間變化的載荷以及阻尼和慣性等影響因素充分考慮進去。基于有限元法的動力分析類型采用的通用運動方程如下[1]：

其中：[M]——質量矩陣;[C]——阻尼矩陣;[K]——剛度矩陣;{ü}——節點加速度向量;{}——節點速度向量;{u}——節點位移向量;{F（t）}——隨時間變化的載荷向量。

在任意時刻t，上述方程同時考慮了慣性力[M]{ü}和阻尼力[C]{}[2]。利用ANSYS軟件使用Newmark時間積分法進行求解，積分時間步長就是相鄰時間點之間的時間增值。

1.2 瞬態動力學分析的主要步驟

瞬態動力學分析主要可分為以下3個步驟完成：

1.2.1 建立有限元模型

首先建立瞬態動力學分析的有限元模型，材料可設置為線性或非線性的，各向同性或各向異性皆可。

1.2.2 施加載荷并求解

瞬態分析跟靜態分析不一樣，前者施加的是隨時間變化的載荷，需要設定好載荷大小、方向以及加載時間。

按照時間間隔對于隨時間連續變化的載荷進行采樣，然后按對應時間點把載荷采樣值施加到結構上。ANSYS程序會按順序將對應時間點的載荷存入對應的載荷文件，計算過程自動裝入時間歷程載荷，計算后的結果文件也會按時間點分塊存放。

1.2.3 提取結果

通過ANSYS的集成環境，設計分析人員可選擇通用后處理器POST1或時間歷程后處理器POST26來提取瞬態分析結果。通過POST1可得到模型任意時刻整體的分析結果，例如某一時刻各點的應力云圖、位移云圖等;而通過POST26可得到諸如某個節點的應力隨時間的變化曲線這種自定義函數量隨時間變化的分析結果。

2? 汽車主軸模型的建立

汽車主軸是由4部分組成的，通過兩個轉軸銷將兩個主軸結合在一起[3]，如圖1所示，轉軸一端受力傳遞載荷，而轉軸另一端則設置為全約束[4]。

3? 主軸的瞬態動力學分析

3.1 主軸有限元模型的建立

建立主軸有限元模型包括建立幾何模型和幾何模型單元劃分兩部分內容。根據主軸的實際結構和尺寸建立幾何模型，這樣可滿足計算精度的要求。采用實體單元（Solid45）對幾何模型進行單元劃分[5]，將Mesh工具欄中Mesh Control（網格控制）中的Element Size設置為6mm。主軸的有限元模型網格劃分效果[6]如圖2所示。

3.2 施加約束

建模時，將力矩載荷施加在汽車主軸的一端面，將主軸的另一端面設置為固定約束，在Tabular Data中輸入隨時間連續變化的載荷值。

3.3 加載及求解

在主軸翻轉工作過程中施加一個動態變化的扭矩，重點研究在動態變化的扭矩作用下翻轉主軸的應力云圖和位移云圖變化情況。圖3所示的是應力分析云圖，圖4所示的是周向位移云圖，圖5所示的是徑向位移云圖，圖6所示是合成位移云圖。

從圖3中可以看出隨著主軸施加力矩的增大，應力也隨之增大，圖4表明隨著施加力矩的增大，主軸周向位移也隨之增大，且在通孔周圍位移最大，圖5表明徑向位移隨著所施加的力矩的增大而增大，圖6可以看出主軸在通孔周圍位移最大，變形也最大。汽車主軸在翻轉工作過程中，通孔處受到的沖擊比主軸兩端受到的沖擊更大，隨著力矩的不斷增加，產生的瞬時沖擊力將會使系統產生振動和噪聲[7]，同時也會影響到整個傳動系統的穩定性。為了盡量減小主軸在轉動工作過程中的振動和噪聲，在主軸翻轉過程中要避免出現力矩突然增大或突然減小的情況，此外，在滿足強度要求和使用性能的前提下，可以考慮將現有的主軸結構進一步優化，減少通孔周圍的變形[8]，以提高其工作平穩性和傳動效率。

4? 結論

基于虛擬樣機技術對主軸有限元模型施加約束和動態扭矩，運用有限元軟件ANSYS對汽車主軸進行了瞬態動力學分析，得到其應力云圖和位移云圖，結果表明主軸在翻轉過程中，通孔處受到的沖擊比主軸兩端受到的沖擊更大，隨著力矩的增加，產生的瞬時沖擊力將會使系統產生振動和噪聲，同時也會影響到整個傳動系統的穩定性。通過對汽車主軸的動態特性分析，為主軸進一步的結構優化設計和后續動力學研究提供了一定參考。

參考文獻：

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