基于ABAQUS的穩(wěn)定桿和卡箍有限元分析

李巖, 劉艷華, 戴峻

(華晨汽車工程研究院底盤部,遼寧沈陽 110141)

基于ABAQUS的穩(wěn)定桿和卡箍有限元分析

李巖, 劉艷華, 戴峻

(華晨汽車工程研究院底盤部,遼寧沈陽 110141)

建立了帶有襯套的穩(wěn)定桿安裝總成的有限元模型，精確地模擬了穩(wěn)定桿和卡箍的受力情況。結(jié)合實車路試，找出穩(wěn)定桿卡箍圓角處開裂的原因。同時對比了聯(lián)合仿真和各部件單獨仿真分析方法的優(yōu)劣性，對比結(jié)果對工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

穩(wěn)定桿；卡箍；襯套；有限元分析

Abstract:The finite element model of the stabilizer mounting assembly with bushing and clamp was established. The force situations of stabilizer and clamp were accurately simulated. Combining with real vehicle road test, the cause of clamp cracking on fillet was identified. At the same time, combined simulation and simulation of various components individually were compared. The results are instructive for engineering applications.

Keywords:Stabilizer; Clamp; Bushing; Finite Element Analysis

0 前言

穩(wěn)定桿能提供一定的扭轉(zhuǎn)剛度，從而提高懸架系統(tǒng)的剛度，減小車身發(fā)生側(cè)傾的程度，改善汽車行駛時的穩(wěn)定性。穩(wěn)定桿兩端由穩(wěn)定桿連桿和懸架上的減振器或下擺臂連接；桿身通過橡膠襯套和卡箍固定在車架或副車架上。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎或者左右高度不一致時，穩(wěn)定桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，從而穩(wěn)定桿對懸架有相應(yīng)的反作用力，以減小車身側(cè)傾，提高汽車行駛時的穩(wěn)定性。

為了更精確地計算出穩(wěn)定桿及卡箍在整車上的受力情況，對穩(wěn)定桿裝配總成進行有限元分析，同時分別對穩(wěn)定桿、卡箍單獨進行分析。通過對比兩次分析的結(jié)果和道路試驗結(jié)果，找出最優(yōu)分析方案，為穩(wěn)定桿的設(shè)計和分析提供了可靠性依據(jù)。1穩(wěn)定桿裝配總成有限元模型建立

1.1 橡膠襯套有限元模型建立

由于橡膠材料具有幾何和材料雙重非線性，同時又具有體積不可壓縮性，使得橡膠材料的力學(xué)問題的理論計算非常困難。

通過參考文獻[1-2]，利用簡化后的Mooney-Revlin 模型來描述橡膠材料的特性。

W′=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：C10、C01為橡膠材料常數(shù)。該模型能很好地描述變形小于150%的橡膠材料的力學(xué)性能。通過試驗得出橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，擬合出橡膠材料常數(shù)C10、C01等參數(shù)[3]。通過計算擬合，用于有限元計算的橡膠材料常數(shù)C10=0.736，C01=0.184。

1.2 網(wǎng)格劃分

穩(wěn)定桿為左右完全對稱結(jié)構(gòu)，且其極限工況為左(右)側(cè)抬升、右(左)懸空。在臺架試驗時，左右側(cè)加載大小相等、方向相反的強迫位移。在此前提下，由結(jié)構(gòu)力學(xué)基本知識可知，穩(wěn)定桿的中點是固定不動的。為減少工作量和計算機時，文中取穩(wěn)定桿裝配總成的左半部分為研究對象[4]。

采用專業(yè)前處理軟件ANSA對穩(wěn)定桿裝配總成左半部分進行網(wǎng)格劃分，為了控制計算精度和減少計算量，對各部件采取不同的密度進行網(wǎng)格劃分。單元類型和大小如表1所示。

表1 單元類型和尺寸

劃分后的有限元模型如圖1 所示。

1.3 有限元模型建立

網(wǎng)格檢查無干涉之后，生成inp文件，導(dǎo)入Hypermesh中。在Hypermesh中對部件的材料進行定義，金屬材料定義見表2。

表2 部件材料及其力學(xué)性能

橡膠材料選用Mooney_Rivilin模型，將擬合出的C10、C01輸入即可表征橡膠材料在小變形時的力學(xué)特征。 建立卡箍與襯套、襯套與穩(wěn)定桿、車身與襯套之間的接觸對，同時定義卡箍與襯套、車身與襯套之間的過盈關(guān)系。

其次，從激進左派立場走向中左立場。拉美馬克思主義政治組織極為復(fù)雜，政治立場從激進的、溫和的到托派的，應(yīng)有盡有。20世紀90年代以來，拉美左派政治光譜發(fā)生了顯著的偏移，一方面自由主義遭受到了左派的反擊，另一方面，激進左派組織也很難在經(jīng)歷了自由主義和民主政治洗禮的拉美大陸獲得廣泛的群眾基礎(chǔ)。馬克思主義從一個激進的革命政治運動，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€時刻保持對資本主義主要缺陷警醒的社會主義建設(shè)運動。無論中國還是拉美主要國家，都在努力尋找一條將社會主義與民主政治有效連接起來的本土化路徑。

同時分別建立穩(wěn)定桿和卡箍單獨的有限元模型，按照它們在系統(tǒng)中的受力定義相同的工作載荷。

1.4 邊界條件和約束定義

計算過程中不考慮螺栓預(yù)緊力，將螺栓穿過的孔用剛性單元約束。約束車架安裝處的6個自由度，同時約束穩(wěn)定桿中心處6個自由度，穩(wěn)定桿和連桿連接處施加±48 mm的強迫位移。模型的邊界條件如圖2所示。

單獨建立的卡箍模型，其約束方式為兩螺栓孔處全約束，卡箍所受力均勻加載在其內(nèi)表面上。單獨建立穩(wěn)定桿模型時其約束狀態(tài)為中心處完全約束，襯套處約束沿X、Z向移動和繞X、Z向轉(zhuǎn)動的自由度，放開沿Y向移動以及繞Y旋轉(zhuǎn)的自由度，以防襯套約束處到中心點約束處彈性變形產(chǎn)生Y向內(nèi)應(yīng)力。

2 計算分析

2.1 穩(wěn)定桿裝配總成分析

計算采用ABAQUS非線性求解器，將Hypermesh中建立好的有限元模型生成的inp文件，直接提交給ABAQUS計算，應(yīng)力云圖見圖3—6。

通過計算，穩(wěn)定桿最大應(yīng)力為807 MPa，最大應(yīng)力位置在變徑處，節(jié)點4 555上?？ü康菇翘幾畲髴?yīng)力為361 MPa，已超材料Q345的屈服極限345 MPa。

單獨分析卡箍時(圖7)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓孔處，和聯(lián)合仿真最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置相同。這是由于剛性單元連接造成局部應(yīng)力過大。而圓角處的應(yīng)力值在158 MPa以下，且應(yīng)力分布均勻，沒有出現(xiàn)穩(wěn)定桿作用時的應(yīng)力不均勻現(xiàn)象。

單獨分析穩(wěn)定桿時(圖8)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在變徑處，同聯(lián)合仿真一樣，最大應(yīng)力在節(jié)點4 555上。由于用剛性單元代替襯套，造成整體剛度增大，應(yīng)力值相應(yīng)增大，最大應(yīng)力為1 307 MPa。

和加入穩(wěn)定桿聯(lián)合分析相比，單獨分析未能體現(xiàn)出穩(wěn)定桿對卡箍作用力的不平衡性。實際工況中卡箍外側(cè)受力比內(nèi)側(cè)受力大，前側(cè)受力比后側(cè)受力大。

單獨分析穩(wěn)定桿應(yīng)力云圖和最大應(yīng)力點出現(xiàn)的位置與聯(lián)合分析時完全相同，由于未加襯套，導(dǎo)致模型剛度比實際情況大，最大應(yīng)力比聯(lián)合仿真大。單獨對穩(wěn)定桿分析，可以用在設(shè)計優(yōu)化階段以找出設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)進行優(yōu)化設(shè)計，在設(shè)計的最終階段運用聯(lián)合仿真。兩種分析方式結(jié)合應(yīng)用，以提高效率，縮短開發(fā)周期。

2.3 計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比分析

通過聯(lián)合仿真，找出穩(wěn)定桿和卡箍上的薄弱環(huán)節(jié)。由于卡箍是用螺栓安裝在車身上，應(yīng)力最大位置螺栓孔位置相對不容易斷裂。而倒角處應(yīng)力最大值為361 MPa，已超材料的屈服極限，屬于危險位置。經(jīng)過實車驗證，卡箍斷裂位置如圖9所示。仿真結(jié)果與實車實驗斷裂位置一致。經(jīng)實車實驗驗證，建立完整的穩(wěn)定桿、卡箍、襯套有限元模型更能很好地模擬各部件在整車上的受力狀態(tài)。

3 卡箍改進設(shè)計及分析

基于以上分析，對穩(wěn)定桿卡箍進行加強設(shè)計。為了充分利用之前的設(shè)計方案，降低生產(chǎn)成本，并保證卡箍的強度，現(xiàn)對卡箍倒角處增加翻邊，并加厚1 mm，改進后的模型如圖10所示。

把新設(shè)計的卡箍導(dǎo)入原有限元模型，替換原卡箍設(shè)計方案。重新進行有限元分析。新設(shè)計方案卡箍的受力如圖11所示。圓角處的應(yīng)力大幅度降低，翻邊和卡箍本體連接處最大應(yīng)力在88 MPa左右，遠小于材料的屈服。

4 結(jié)論

建立了穩(wěn)定桿裝配總成的有限元模型，通過ABAQUS計算，找出穩(wěn)定桿和穩(wěn)定桿卡箍應(yīng)力最大位置，計算結(jié)果和汽車道路實驗結(jié)果完全符合。結(jié)合分析結(jié)果對卡箍進行加強設(shè)計并進行分析，分析結(jié)果遠小于材料的屈服強度。

通過對穩(wěn)定桿總成聯(lián)合仿真和穩(wěn)定桿、卡箍單獨分析的對比，否定了單獨分析卡箍的分析方法，肯定了單獨分析穩(wěn)定桿在工程設(shè)計中的參考意義。該對比分析結(jié)果對工程設(shè)計分析具有一定的指導(dǎo)意義。

【1】 宋健,邢如飛.帶橡膠襯套的穩(wěn)定桿有限元分析[J].汽車工程,2005,27(5):592-594.

【2】 王穎,付鵬.橡膠制品有限元分析的研究應(yīng)用[C]//2008 ANSYS用戶年會論文集,2008.

【3】 左亮.機車車輛中常用的橡膠件的有限元分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

【4】 黃康,仰榮德.基于ANSYS的汽車橫向穩(wěn)定桿疲勞分析[J].機械設(shè)計,2008，25(12):66-68.

FiniteElementAnalysisofStabilizerandClampBasedonABAQUS

LI Yan, LIU Yanhua, DAI Jun

(Chassis Department, Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Shenyang Liaoning 110141,China)

2014-02-18

李巖(1986—)，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向為汽車底盤部件有限元分析。E-mail:liyan5437@163.com。