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    基于ABAQUS的汽車前軸臺架試驗仿真模型優(yōu)化

    2021-03-01 08:18:40林瑋靜
    山東交通科技 2021年6期
    關(guān)鍵詞:前軸轉(zhuǎn)向節(jié)主銷

    曹 凱,林瑋靜,孔 卓

    (中國重汽集團汽車研究總院,山東 濟南 250101)

    引言

    汽車前軸臺架試驗是檢測前軸產(chǎn)品質(zhì)量是否達標的重要方法。在產(chǎn)品設計階段,有限元仿真技術(shù)已成汽車前軸結(jié)構(gòu)設計及可靠性驗證的重要手段??渍窈5萚1]利用 Hypermesh 建立前橋有限元模型進行強度和疲勞分析,驗證前橋的剛度及疲勞壽命滿足設計要求;馮美波[2]利用ANSYS/Workbench分析前軸主銷孔處運用ANSYS的變形量與前軸最大轉(zhuǎn)角的關(guān)系,最終確定了前軸的剛度;徐玉萍和方姣[3]運用Hypermesh和Ncode進行前軸仿真與臺架試驗結(jié)果分析,對前軸進行結(jié)構(gòu)改進。

    作為汽車重要承載件之一,前軸研發(fā)是汽車設計中的關(guān)鍵技術(shù)[4]。現(xiàn)階段前軸研究的側(cè)重點在于運用CAE仿真結(jié)果對前軸結(jié)構(gòu)進行分析改進,而前軸的有限元模型的搭建并無統(tǒng)一規(guī)范,故無法保證仿真結(jié)果與臺架試驗的一致性。

    1 前軸CAE仿真模型的初步建立

    為保證前軸有限元仿真結(jié)果與臺架試驗結(jié)果的一致性,模擬某重卡前軸在臺架上的實際裝配,去除對仿真結(jié)果影響較小的橫拉桿球頭、主銷限位螺釘?shù)攘慵?,并去除對結(jié)果影響較小的零件倒角、小孔等特征[4],完成了CAE模型的創(chuàng)建,見圖1。

    圖 1 前軸CAE仿真模型

    CAE 模型單元類型采用C3D10M四面體,網(wǎng)格劃分方法為自由劃分網(wǎng)格,產(chǎn)生單元格數(shù)量 1 287 350個。推力軸承設置為剛性體,其余零件設置為彈性體。強度試驗加載最小載荷75 kN,最大載荷217.5 kN,載荷通過參考點RP1、RP2施加在兩板簧座上,主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)、前軸接觸,推力軸承于轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸端面接觸。整個模型的邊界條件設置為約束兩車輪接地點 RP5、RP6 的 X、Z方向移動自由度和Y、Z方向轉(zhuǎn)動自由度,并釋放 Y方向移動自由度和X方向轉(zhuǎn)動自由度。零件材料設置見表1,前軸CAE模型實體之間相互作用關(guān)系見表 2。

    表1 零件材料及參數(shù)

    表 2 前軸CAE模型實體之間相互作用關(guān)系

    主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)孔之間存在轉(zhuǎn)向阻尼摩擦,由于摩擦力較小,對前軸仿真結(jié)果無影響,因此接觸對屬性設置為無摩擦;主銷與前軸主銷孔之間的接觸關(guān)系設置為過盈配合,前軸與推力軸承、推力軸承與轉(zhuǎn)向節(jié)之間為平面-平面接觸對,接觸面設置摩擦參數(shù),以摩擦力約束推力軸承的移動自由度;轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向橫拉桿臂之間通過螺栓連接緊固,可采用綁定約束(Tie)代替。

    由于轉(zhuǎn)向橫拉桿球頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜,難以保證CAE模型中接觸關(guān)系與實際的一致性,而該結(jié)構(gòu)對前軸仿真結(jié)果無影響,因此將球頭簡化為兩個參考點,通過點-面之間運動耦合(Kinematic coupling)的方式替代轉(zhuǎn)向橫拉桿與橫拉桿臂的接觸關(guān)系。

    2 臺架試驗前軸CAE模型的合理性驗證

    為獲取前軸應力值,在前軸上取7個測點,臺架試驗按照測點布置應變片貼片,見圖2。試驗載荷范圍75~217.5 kN,試驗按照《汽車前軸臺架疲勞壽命試驗方法》(QC/T 513—1999)進行[5]。

    圖 2 前軸應變片貼片位置/mm

    將前軸CAE模型導入ABAQUS/Standard進行仿真分析,加載載荷與臺架試驗保持一致。以加載217.5 kN時所得前軸的理論結(jié)果與試驗結(jié)果作為分析對象,前軸應力及位移云圖見圖3。

    圖 3 前軸應力云圖

    仿真結(jié)果與試驗結(jié)果見表3,由表3可得:仿真與臺架試驗之間存在一定偏差,測點應力偏差范圍7.48%~14.50%,仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的偏差在15%以內(nèi)時可認為誤差在合理范圍內(nèi),因此,該模型能夠較為精確地還原臺架試驗結(jié)果。

    表 3 仿真與試驗結(jié)果對比

    3 前軸CAE模型簡化

    為消除網(wǎng)格大小對仿真結(jié)果的影響,經(jīng)反復仿真驗證,將網(wǎng)格種子密度設置為2。在此基礎上進行分析計算。結(jié)果顯示:(1)CAE 模型中部件之間存在多種相互作用關(guān)系,因此,對網(wǎng)格單元的大小及質(zhì)量要求較高,仿真計算時需占用大量電腦內(nèi)存空間,電腦配置過低時甚至無法完成仿真分析;(2)CAE模型中部件之間相互作用關(guān)系類型復雜,任何一個作用關(guān)系設置不準確都會導致仿真報錯;(3)復雜的相互作用關(guān)系導致CAE模型太大,仿真時間過長,增加了不必要的產(chǎn)品設計時間。

    結(jié)構(gòu)靜力學分析中,處理含有接觸關(guān)系的有限元模型時,其有效手段在于正確設置接觸關(guān)系和定義邊界條件[6]。大部分接觸分析不收斂問題,都是由接觸關(guān)系的錯誤設置及自由度不合理約束導致。合理接觸關(guān)系的設置主要包括正確定義接觸面、接觸屬性及接觸參數(shù)等,而合理的邊界條件可以保證模型不會產(chǎn)生過約束及欠約束,從而保證模型不產(chǎn)生大的剛體位移。除此之外,處理模型時經(jīng)常遇到接觸關(guān)系較為復雜的問題,復雜的接觸關(guān)系通常會導致仿真結(jié)果的不收斂[7-9],若該裝配關(guān)系對仿真目標無影響時,合理的運用耦合約束(coupling constraint)代替復雜的接觸關(guān)系,可以有效解決模型不收斂問題,并能夠保證仿真結(jié)果的可靠性。

    前軸CAE模型進行簡化。模型中各實體之間的相互作用替代關(guān)系見表4,所得簡化模型見圖4。

    表 4 簡化前后前軸 CAE 模型相互作用關(guān)系對比

    圖 4 簡化后的前軸臺架試驗CAE模型

    在簡化模型中,去掉主銷和推力軸承,從而減少了接觸對數(shù)量。將主銷簡化成參考點RP5(RP6),將RP5(RP6)與轉(zhuǎn)向節(jié)上下主銷孔進行Kinematic coupling耦合約束,并限制Y、Z方向的移動自由度和轉(zhuǎn)動自由度、以此代替主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)主銷孔的表面接觸對,見圖5(a)。將RP5(RP6)與前軸主銷孔進行disiribute coupling耦合,限制X、Y、Z三個方向上的所有轉(zhuǎn)動和移動自由度,以此代替主銷與前軸主銷孔的過盈配合接觸對,見圖5(b)。將推力軸承簡化成參考點RP7(RP8),將RP7(RP8)與前軸拳部下端面、轉(zhuǎn)向節(jié)下端面進行Kinematic coupling耦合,將參考點RP7(RP8)與前軸下端面完全固定,即限制前軸下端面相對于 RP7(RP8)的所有轉(zhuǎn)動和移動自由度,另一方端限制轉(zhuǎn)向節(jié)端面相對于RP7(RP8)的X方向移動自由度,以此代替推力軸承與轉(zhuǎn)向節(jié)、前軸的面接觸對,見圖5(c)。CAE模型的其他相互作用關(guān)系保持不變。

    圖 5 簡化后模型各實體之間的相互作用關(guān)系

    將簡化后的前軸臺架CAE模型導入ABAQUS中進行仿真,并將仿真結(jié)果與原 CAE模型的仿真結(jié)果進行對比,對比結(jié)果見表5。

    表 5 前軸CAE模型簡化前后仿真結(jié)果對比

    對比前軸CAE模型簡化前后的仿真結(jié)果,簡化前后的仿真分析結(jié)果誤差范圍為0.57%~5.4%,誤差較小。前軸臺架試驗簡化CAE模型的還原度高,且仿真時長較簡化前有明顯縮短。

    4 結(jié)語

    基于ABAQUS對前軸臺架試驗的仿真模型進行了合理簡化,簡化CAE模型有效解決了由于復雜接觸導致的仿真計算收斂困難的問題,縮短仿真計算時間,提高了前軸設計效率,規(guī)范了前軸臺架試驗力學仿真模型的建模過程。

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