基于Creo Parametric與ANSYSworkbench軟件管式車橋壓裝有限元仿真

摘 要：管式車橋作為現代汽車底盤重要組成部分，其設計和性能直接關系到車輛的安全性、穩定性和舒適性。隨著汽車工業快速發展，傳統車橋結構逐漸暴露出重量大、剛性不足和承載力有限等缺陷，采用新型管式車橋結構成為一種有效的解決方案。本文將圍繞管式車橋的壓裝過程，采用有限元法重點分析其力學性能，探討不同工況下承載能力，通過一系列的研究，為管式車橋的設計與優化提供理論基礎與實用指導。

關鍵詞：管式車橋 有限元仿真 仿真結果

在當今技術快速發展的時代，汽車行業日益朝著輕量化、節能化和高性能的方向發展，在這一背景下，車橋作為連接車輪與車體重要結構件，其設計與性能對整個汽車的行駛安全與效率起著至關重要的作用。傳統車橋結構存在承載能力不足、剛性不夠以及重量過大的缺陷，難以滿足現代汽車對高強度與低重量要求，發展新型車橋結構顯得尤為重要。

1 管式車橋結構特點

管式車橋是現代汽車底盤設計中一種重要承載結構，廣泛應用于各類交通工具中，該車橋的設計充分考慮強度、剛度與輕量化有機結合，其主要組成部分包括圓管梁、軸頭、板簧支座、主銷和轉向節等。各個部件通過協作配合，確保車輛運行過程中的安全性和穩定性。詳細結構如表1圖1所示：

管式車橋采用空心管結構設計，確保了其在承載重載方面的能力，同時有效減輕車橋的整體重量。其主要材料選用42CrMo，該材料具有卓越的性能，彈性模量高達210000 MPa，充分展現材料在彈性范圍內的強大變形能力。泊松比為0.28，體現材料在受力時的優異變形特性。屈服強度達到930 MPa，確保車橋能夠承受較大的載荷而不發生塑性變形，選用的鍍鉻合金材料，使得管式車橋在面對高強度和高頻沖擊時，依然保持良好的韌性和耐腐蝕能力，進一步提升車橋的使用壽命和穩定性，空心管結構設計使車橋更加靈活地應對復雜道路條件，滿足現代交通工具對能效和承載能力的雙重需求[1]。

2 有限元仿真模型的建立

2.1 模型參數設置

在本研究中，采用Creo parametric進行1t管式車橋建模，通過ANSYS Workbench軟件精確設置各個零部件物理參數，有效模擬車橋在不同工況下的受力情況與整體行為。模型包含多個關鍵部件，每個部件的物理屬性均對模型的分析結果產生重要影響，模型中主要零部件的具體物理參數設置如表2所示。

所有部件材料均采用42CrMo，因其優良的機械性能及化學穩定性，適合于承受較大載荷與頻繁作用力的場合。為保證仿真模型準確性，設定的密度值（7850 kg/m3）和彈性模量（210000 MPa）確保材料在彈性領域內的表現被有效捕捉。泊松比選取（0.28）表示材料在受力時橫向與縱向變形的比例，反映材料各向同性特性，屈服強度和抗拉強度選擇，確保模型在實際使用中不發生材料失效，維持車橋結構的安全性及耐用性，通過參數的合理配置，本有限元模型在仿真過程中準確反映管式車橋力學行為及與外界負荷的相互作用，為設計優化提供科學依據[2]。

在模型參數設置完成后，接下來進行網格劃分，網格劃分是有限元分析中至關重要的一步，直接影響到計算的精度和效率。邊界條件與接觸設置是仿真分析中確保模型行為與實際工況相符的關鍵，根據管式車橋實際工作環境，對車橋模型施加相應的邊界條件。在不平路面工況下，車橋會受到來自地面的不規則載荷，在模型的支撐部位施加相應的位移約束，模擬車橋在實際行駛中的約束條件，考慮到車橋各部件之間的接觸問題，如軸頭與圓管梁之間的接觸，本研究采用ANSYS Workbench中的接觸算法，確保接觸面之間力的正確傳遞和分布，管式車橋的有限元仿真模型得以成功建立。模型參數的精確設置、合理的網格劃分以及準確的邊界條件與接觸設置，共同確保了仿真分析的準確性和可靠性，將對模型進行不同工況下的仿真分析，以評估車橋在實際使用中的性能表現。

2.2 網格劃分

在有限元仿真中，網格劃分是關乎分析結果精度的關鍵步驟之一，恰當網格劃分不僅影響計算效率，直接影響最終應力、應變以及變形結果。因此，在本次管式車橋有限元分析中，選擇適合的網格類型和大小，以確保能夠準確捕捉到結構特征及其受力情況下的變化。本研究采用四面體單元網格結構，較為適用于復雜幾何形狀的單元，四面體單元具有較高適應性，能很好地填充多種復雜形狀的結構，并且其在邊界面上具有較為靈活的網格劃分能力。在整體網格劃分中，設定整體網格尺寸為5mm，而在圓管梁與左右端的接觸面上，為能夠更精確地模擬接觸行為，將區域網格尺寸縮小到4mm，這樣的設置既保證在關鍵接觸區域有足夠精度，又避免整體網格數量過大導致計算資源浪費。

經過網格劃分，共生成618894個節點和391782個單元，確保在解析過程中，充分捕捉到應力集中、變形情況等關鍵物理現象。在實際仿真過程中，通過對網格質量檢查，確保沒有不符合分析要求單元，從而有效減少由于網格問題帶來的解算誤差，考慮到計算時間與解精度之間的平衡，使得模型在保持足夠復雜性同時，仍能在可接受的計算時間內獲得解答。

2.3 邊界條件與接觸設置

在有限元分析中，邊界條件設定及接觸配置至關重要，直接影響到模型解算與結果分析的準確性，為合理模擬管式車橋實際工作狀態，本研究在邊界條件設置上進行仔細考量，在圓管梁的外管面上施加固定支撐約束，意味著在分析過程中，該部分被限制所有的位移和轉動。該約束設置合理地模擬車橋在實際使用過程中所受到支撐情況，確保在受力條件下，結構能夠反映出實際的行為，而摩擦系數設定為0.2，反映材料間在一定接觸壓力下一般摩擦的表現，適用于眾多工程材料連接特性，能夠有效模擬真實的受力情況。

為精確地反映實際壓裝過程，選擇有摩擦接觸的接觸類型，確保在接觸面上能夠適當地傳遞接觸力和摩擦力，并考慮摩擦效應對各個部件之間相互作用的影響，通過該方式，模擬能夠更加真實地呈現各種工況下，軸頭與圓管梁之間相互作用和載荷的傳遞過程。在仿真分析中，采用過盈量0.02mm設計參數，基于對實際工程應用考量，目的是在保證連接部件能夠緊密結合前提下，避免由于過大過盈量導致的材料應力集中或局部失效，合理的邊界條件和接觸設置使得模型能夠更真實地再現管式車橋的工作特性，為后續力學分析奠定堅實的基礎。

接觸設置的進一步優化在確定了基本的邊界條件和接觸設置后，進一步優化接觸算法以提高仿真精度。采用先進的接觸算法，如罰函數法和拉格朗日乘子法，以確保接觸面之間的相互作用能夠被準確捕捉。罰函數法通過引入一個懲罰項來處理接觸面之間的穿透問題，而拉格朗日乘子法則通過引入額外的約束條件來確保接觸面之間不發生穿透。

3 仿真結果分析

3.1 不平路面工況

在不平路面工況下，施加載荷為4400 N，此工況通常代表車輛在行駛過程中遇到的瞬時負載和沖擊。經過有限元分析，計算得到圓管梁與軸頭之間的最大應力值為893.26 MPa，該值顯著低于管材屈服強度930 MPa，表明在此工況下，管式車橋的設計具備足夠的承載能力，能夠有效應對不平路面帶來的沖擊力。

在實際應用中，不平路面通常導致車輛動態載荷增加，從而引發額外的應力集中，通過仿真，不僅關注應力的數值，也要考量平均變形量。在本次試驗中，平均變形量為1.25 mm，顯示出雖然處于荷載之下，結構依然保持一定的剛性與穩定性，該變形量在合理范圍內，表明車橋在承載和動態變化下的響應能力良好。一組靜態與動態結果也為后續工程實踐提供重要參考，確保設計階段時考慮安全系數得以滿足，并為管式車橋在復雜路況下的使用提供理論基礎，仿真結果不僅驗證設計合理性，也為未來可能出現的極端工況提供數據依據[3]。

3.2 緊急制動工況

在緊急制動工況模擬中，施加垂直載荷為6000 N，模擬考慮車輛在快速減速時對前橋的沖擊作用，考慮制動過程中瞬態載荷的影響。經過分析，發現圓管梁與軸頭局部最大應力達到727.86 MPa，同樣低于930 MPa屈服極限，進一步印證系統設計的安全性與可靠性。

此工況下籠統承載能力結果反映管式車橋能夠承受突發動態載荷而不發生塑性變形，平均變形量為1.20 mm，也顯示整體結構在負載作用下的良好穩定性，應力值與變形量的結合考慮使得全面評估緊急情況對車橋影響，并為后續的安全操作規程制定提供參考。緊急制動是車輛行駛安全管理中至關重要的一部分，本次仿真結果表明管式車橋在該工況下能夠有效維持其結構完整性，并能在極端變動中保持良好操作性能，確保乘客的安全。

3.3 側滑工況

在側滑工況下，對前軸施加側向負荷設定為3500 N，常見于車輛行駛過程中發生側向滑動的緊急情況，模擬結果顯示最大應力值為910.6 MPa，在該工況下管式車橋承載能力依然表現出色，且低于屈服強度，確保安全使用。

側滑工況通常伴隨車輛在轉彎過程中失控狀況，在此情況下跨接的應力分布對安全至關重要。平均變形量為1.45 mm，表明盡管承受著側向載荷影響，結構依然具備良好的變形承受能力和控制力，成功抑制過度變形。對于該突發工況來說，保障載荷傳遞完整性和穩定性是保護乘客安全的必要條件，該工況下仿真結果不僅驗證管式車橋在非正常行駛條件下的性能指數，同時也為設計新材料特性和連接技術提供扎實依據，支持將來車輛設計中的改進方向。為確保未來新型車橋在類似工程上的應用安全，需對側滑工況下的材料與結構表現進行進一步的研究與優化[4]。

4 不同過盈量對承載能力的影響

為深入探討過盈量對管式車橋承載能力影響，進行系列仿真分析，系統地評估不同過盈量下的最大應力表現，過盈量選擇對于結構連接的強度及其在動態負載下表現至關重要。在仿真中，過盈量從0.01mm到0.04mm不等，具體如表3所示。

從表3觀察到，隨著過盈量增加，各工況下最大應力值表現出明顯的降低趨勢，過盈量為0.01mm時，垂直工況最大應力為953.23 MPa，而當過盈量增大到0.04mm時，最大應力降至763.73 MPa。該降低趨勢在所有工況下均一致，突顯過盈量設計的重要性，在緊急制動工況中，過盈量為0.01mm時最大應力為797.74 MPa，而當過盈量增加到0.04mm時，數值降低至632.61 MPa，相較初值下降約20.6%。同樣在側滑工況下，隨著過盈量從0.01mm增大到0.04mm，最大應力從964.82 MPa降至774.63 MPa，降幅約19.7%，該應力分布變化說明過盈量對整個結構的影響，過盈量越大，接觸面積相對增大，摩擦力及支撐力得到提升，從而減小應力集中的現象[5]。

通過仿真數據結果對比分析，得出，合理過盈量顯著提高管式車橋的承載能力，在設定的范圍內，適度過盈量不僅提高連接穩定性，增強結構在動態負載下的抗變形能力，過盈量為0.02mm時，垂直工況最大應力為893.26MPa，雖然接近屈服強度，但仍然在安全范圍之內，其他工況也表明結構在此過盈量下具備充足的承載能力，為進一步驗證規律，考慮采用不同加載情況和條件進行新的實驗。在工程實踐中，通過調整過盈量來應對不同負載需求，靈活優化車橋的設計，對于重載或頻繁起伏路況，選擇較大過盈量，以確保車橋在使用過程中的安全性，而對于輕載或平坦路面，適當減小過盈量，以避免不必要材料浪費，并降低車橋的整體重量。

在進一步的實驗中，考慮不同材料屬性對過盈量影響的敏感性，通過改變材料的彈性模量、泊松比等參數，觀察在不同材料特性下，過盈量對承載能力的具體影響。實驗結果表明，材料的彈性模量越高，過盈量對承載能力的提升效果越明顯。高彈性模量材料在受到相同過盈量作用時，能夠產生更大的接觸應力，從而更有效地分散應力集中，泊松比的變化也對承載能力有一定的影響，但其影響程度相對較小。

5 結語

綜上所述，本研究通過對管式車橋進行有限元仿真分析，深入探討其結構特點、材料屬性以及在不同工況下的承載能力表現。通過建立精確有限元模型以及合理設置各項參數，成功模擬管式車橋在不平路面、緊急制動和側滑等工況下的受力情況，獲得關鍵應力和變形數據，這些結果驗證設計的合理性，為工程實踐中管式車橋安全與穩定性提供科學依據。

參考文獻：

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