基于有限元的某車前懸架結(jié)構強度分析

楊延勇

北京理工大學珠海學院，廣東 珠海 519085

0 引言

Hypermesh是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機械結(jié)構系統(tǒng)受到外力負載所出現(xiàn)的反應，例如應力、位移等，根據(jù)該反應可知道機械結(jié)構系統(tǒng)受到外力負載后的狀態(tài)，進而判斷是否符合設計要求。一般機械結(jié)構系統(tǒng)的幾何結(jié)構相當?shù)膹碗s，受到的載荷也相當多，理論分析往往無法進行。想要解答，必須先簡化結(jié)構，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計算機行業(yè)的發(fā)展，相應的軟件也應運而生，Hypermesh軟件在工程上應用相當?shù)膹V泛，也都能達到某種程度的可信度，同時使用該軟件，能夠降低設計成本，縮短設計時間。

本文對某微車的前懸架結(jié)構進行有限元分析，其采用的前懸架為麥弗遜式懸架，即滑柱擺臂式懸架。這種前懸架的結(jié)構在實際工作中的受力狀況都比較復雜。對其進行有限元分析不僅可以得到在各種典型工況下其結(jié)構的應力分布規(guī)律和變形情況，檢驗其結(jié)構強度，還能進一步揭示各種載荷（垂直力、縱向力、制動力和側(cè)向力）對麥弗遜式懸架應力分布的影響，為疲勞強度分析、結(jié)構改進、確定應力測量時應變片的布置和合理進行疲勞試驗提供參考數(shù)據(jù)[1]。

1 工況的確定

根據(jù)我國目前的實際路況，本文對如下四種典型的工況進行有限元分析和計算：

1）微車起動 前懸架受沖擊載荷作用，驅(qū)動力達到最大；

2）在中等路面上行駛 對前懸進行一般的疲勞強度分析和計算，此時車輪著地點受到脈動的垂直載荷、驅(qū)動力以及交變的側(cè)向力；

3）在微車轉(zhuǎn)彎時 此時前懸架有最大的側(cè)向力；

4）行車制動工況下 前懸架受沖擊載荷作用，車輪抱死且受到最大的縱向力[2]。

2 前懸架有限元模型的建立

圖1 前懸架總成的有限元模型

某微車的前懸架總成結(jié)構為筒式減振器的上端用螺栓和橡膠墊圈與車身連接，減振器缸筒下端固定在轉(zhuǎn)向節(jié)上，而轉(zhuǎn)向節(jié)通過球鉸與橫擺臂連接。車輪所受的側(cè)向力通過轉(zhuǎn)向節(jié)大部分由橫擺臂承受，其余部分由減振器承受。

本文使用Hypermesh軟件對前懸架總成的橫擺臂和副車架進行強度校核。圖1是前懸架總成的有限元模型。

3 前懸架結(jié)構有限元計算及分析

根據(jù)上文提到的4種典型的工況，確定它們所受到的應力，并檢驗其是否在許可的設計強度范圍之內(nèi)。

3.1 橫擺臂結(jié)構的強度分析

由計算所得應力值并對照模型可以得到：1）在工況a的最大應力值為=284.9MPa；2）在工況b的最大應力值為=324.2MPa；3）在工況c的最大應力值為=245.5MPa；4）在工況d的最大應力值為=306.3MPa。

通過有限元計算，可知前懸架橫擺臂在各種工況下結(jié)構的最大應力都小于材料的抗拉強度（=328.5MPa），說明強度是足夠的。此外，各工況的最大應力均發(fā)生在前懸架擺臂的連接處，并呈離擺臂連接處越遠應力值越小的分布規(guī)律，與實際情況相符。

3.2 副車架結(jié)構的強度分析

副車架是承受發(fā)動機重量的主要結(jié)構，下面對其在不同工況狀態(tài)下的應力變形進行分析。由其應力分布可得：1）起動時，副車架受到的最大應力為69.76MPa；2）在中等路面上行駛時，最大應力為75.84MPa；3）在工況c的最大的應力為289.9MPa，去除連接因素的影響它的最大應力為198.3MPa；4）在工況d的最大的應力為339.1MPa，去除連接因素的影響它的最大應力為235.2MPa。

可以看到副車架在各種工況下的最大應力是235.2MPa，小于材料的最大屈服極限（=285.9MPa），因此副車架設計方案符合對應力的要求。通過以上的分析和計算，可以基本掌握副車架的結(jié)構強度，為進一步改進其結(jié)構提供必要的理論依據(jù)。

4 結(jié)論

通過對前懸架總成的橫擺臂和副車架的有限元分析，得到了該結(jié)構在加載過程中，不同工況狀態(tài)下的最大應力，可以用于支撐橫擺臂和副車架的受力分析以及指導該結(jié)構的設計。經(jīng)過比較計算結(jié)果和實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與實驗結(jié)果有一定的偏差。但是總體誤差不大，仍在允許范圍之內(nèi)。這就證明Hypermesh軟件做出的有限元計算結(jié)果基本符合實際情況，適合于前懸架的結(jié)構分析并能很好的指導其優(yōu)化設計。目前，有限元分析已經(jīng)被廣泛地應用于新產(chǎn)品的開發(fā)中，隨著新產(chǎn)品開發(fā)速度的加快，有限元分析必將得到越來越廣泛的應用。

[1]田應剛,王霄鋒，等.轎車前懸架的有限元分析[J].北京：清華大學學報（自然科學版），2001

[2]朱文學，鄭惠強，石來德.桑塔納2000型轎車前懸架結(jié)構強度有限元分析[J].設計·計算·研究，1998.