基于有限元分析的汽車前橋前軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

蘭常艷，黃在璐

（方盛車橋（柳州）有限公司，廣西 柳州 545006）

前軸是汽車前橋的重要部件，其功能是承受汽車前部的載荷，支承并帶動(dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車轉(zhuǎn)向。在汽車行駛狀態(tài)下，承受著多變的載荷，因此，要求其具有很高的強(qiáng)度，是汽車上的安保件。設(shè)計(jì)不合理的前軸，壽命短，容易斷裂，對(duì)汽車的行駛安全構(gòu)成極大隱患。隨著有限元分析技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)有限元分析，能夠在零件設(shè)計(jì)之初，對(duì)零件的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度進(jìn)行分析，尤其對(duì)于需要進(jìn)行模具開(kāi)發(fā)的零件，能夠提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一次成功率，降低開(kāi)發(fā)成本，減少浪費(fèi)。同時(shí)，能使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)得到最大的優(yōu)化，減少零件材料自身的凈質(zhì)量。本文通過(guò)Solid Works 對(duì)前軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，對(duì)其疲勞性能進(jìn)行研究，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。

理論依據(jù)為：應(yīng)用有限元分析軟件COSMOS Works 對(duì)前軸進(jìn)行有限元分析計(jì)算，在應(yīng)力云圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)行疲勞極限分析，對(duì)零件進(jìn)行優(yōu)化和改造，提高零件的性能。

1 前軸三維數(shù)模的建立

利用Solid Works 建立實(shí)體的三維模型，并導(dǎo)入COSMOS Works。三維幾何模型如圖1。

圖1 前軸三維模型

介于分析的目的是模擬工況，得出參考數(shù)據(jù)，所以本文在分析的過(guò)程中，增加與前軸相接觸的零件（如圖2），這樣更能達(dá)到分析的效果。

圖2 前軸及配合件模型

2 零件的材料參數(shù)

前軸的材料采用45 號(hào)鋼，材料參數(shù)如表1 所列。

表1 前軸材料參數(shù)表

3 有限元模型約束和載荷分析

前軸是通過(guò)主銷將汽車兩邊車輪進(jìn)行連接，汽車行駛時(shí)，前軸在板簧安裝面處承受來(lái)自板簧的垂直支撐載荷F。因此，載荷的施加方法為：約束車輪中心位置，在板簧中心施加載荷F?？紤]到有限元分析的過(guò)程，需要大量的時(shí)間，為了縮短分析時(shí)間，本文采用對(duì)稱分析的方法，約束和載荷如圖3。

圖3 前軸約束及載荷

4 有限元分析劃分網(wǎng)格

以單元大小為10 mm、公差為0.5 mm 對(duì)前軸模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4 所示。前軸節(jié)點(diǎn)數(shù)為144 627，單元總數(shù)為95 025。

圖4 前軸網(wǎng)格劃分

5 有限元分析結(jié)果

將使用工況的載荷施加到有限元模型中，提交COSMOS Works 進(jìn)行計(jì)算，在COSMOS Works 防真導(dǎo)航器中得到位移，應(yīng)力應(yīng)變的分布情況（如圖5）。

圖5 前軸應(yīng)力分布

從該應(yīng)力云圖中可以看出，在前橋R 圓弧過(guò)渡區(qū)域，應(yīng)力數(shù)值為整個(gè)模型的最大區(qū)域，同時(shí)也是應(yīng)力梯度變化最劇烈的區(qū)域。零件采用的是45 號(hào)鋼材料，該區(qū)最大應(yīng)力出現(xiàn)在R 圓弧過(guò)渡區(qū)的應(yīng)力集中，值為345 MPa，超過(guò)材料的許用應(yīng)力335 MPa。說(shuō)明該過(guò)渡區(qū)域結(jié)構(gòu)不合理，無(wú)法滿足使用工況的要求。在使用的過(guò)程中會(huì)從該處斷裂。因此，必須對(duì)此區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高強(qiáng)度。

6 零件優(yōu)化設(shè)計(jì)及模型分析

根據(jù)之前有限元分析的結(jié)果，很容易找到零件的薄弱之處。針對(duì)薄弱之處，提出以下優(yōu)化措施：

（1）將零件材料由45 號(hào)鋼，更改為50 號(hào)鋼。

（2）增大中部的橫截面積。

（3）過(guò)渡區(qū)域變緩。

優(yōu)化后，重新生成模型。進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分：?jiǎn)卧笮?0 mm，公差為0.5 mm，支架節(jié)點(diǎn)數(shù)為145 169，單元總數(shù)為95 759（如圖6）。

圖6 優(yōu)化后前軸網(wǎng)格劃分

優(yōu)化后變截面的應(yīng)力云圖如圖7 所示。R 圓弧過(guò)渡區(qū)域的應(yīng)力為247 MPa。

圖7 優(yōu)化后前軸應(yīng)力分布

通過(guò)改變前軸的材料和結(jié)構(gòu)，對(duì)前軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，再次進(jìn)行有限元分析表明，減少了前軸過(guò)渡的應(yīng)力集中，提高了前軸的強(qiáng)度，使之達(dá)到工況要求。改進(jìn)前，前軸過(guò)渡區(qū)域應(yīng)力為345 MPa；改進(jìn)后，前軸過(guò)渡區(qū)域應(yīng)力減少為247 MPa，應(yīng)力減少28%。

通過(guò)有限元分析，在零件設(shè)計(jì)過(guò)程中，就能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷，通過(guò)調(diào)整零件結(jié)構(gòu)和材料等參數(shù)，對(duì)零件的應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比，選擇最優(yōu)的材料和結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到零件優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Solid Works 建立前軸的三維模型，結(jié)合COSMOS Works 對(duì)其進(jìn)行疲勞應(yīng)力分析，得到此零件的應(yīng)力分布情況。有限元的分析方法，在其他產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)中，具有重要的借鑒意義。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可以在精確建模的基礎(chǔ)上，模擬技術(shù)零件的強(qiáng)度，找出其結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)比較、校驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終得到理想方案。同時(shí)，為后期的試驗(yàn)提供參考，減少試驗(yàn)次數(shù)，降低試驗(yàn)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。

[1]姚健娣，謝龍漢，杜如虛. SolidWorks2010 三維設(shè)計(jì)及制圖[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[2]詹才浩.SolidWorks 產(chǎn)品設(shè)計(jì)范例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[5]張洪武，關(guān)振群，等.有限元分析與CAE 技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.