基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的汽車主軸瞬態(tài)動力學(xué)分析

王利 龍昌平 梁金連

摘要：汽車主軸是汽車生產(chǎn)制造過程中的重要關(guān)鍵部件，汽車主軸在工作過程中會產(chǎn)生震動，震動的頻率會影響汽車設(shè)備的正常工作運(yùn)行。汽車主軸在轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生較大的沖擊以及出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)不平穩(wěn)等問題，針對這些問題將主軸的動態(tài)變化扭矩和軸承對主軸的約束等載荷充分予以考慮，基于虛擬樣機(jī)采用ANSYS軟件對汽車主軸建立有限元模型并進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，得到了動態(tài)變化扭矩作用下的汽車主軸應(yīng)力云圖和位移云圖。分析表明主軸在兩個極端位置的沖擊比較大，為主軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和后續(xù)動力學(xué)研究提供了參考。

關(guān)鍵詞：汽車主軸;瞬態(tài)動力學(xué)分析;有限元法;虛擬樣機(jī)

中圖分類號：U463;U461.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0063-02

0? 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對環(huán)境保護(hù)、綠色低碳、清潔能源、主被動安全性、輕量化設(shè)計(jì)等問題日益關(guān)注，使其對汽車主軸的性能和使用提出了更高的要求。利用有限元分析方法和虛擬樣機(jī)技術(shù)對汽車主軸進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，就可以得到主軸在動態(tài)激勵過程中任意時(shí)刻任意位置的應(yīng)力應(yīng)變值和變形大小。使開發(fā)設(shè)計(jì)人員通過虛擬樣機(jī)和虛擬仿真技術(shù)得到對汽車主軸性能的直觀感受，為汽車主軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能優(yōu)化提供了重要參考和依據(jù)。

1? 瞬態(tài)動力學(xué)分析理論基礎(chǔ)

1.1 瞬態(tài)動力學(xué)分析的定義

瞬態(tài)動力分析用于確定受隨時(shí)間變化的載荷的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。結(jié)構(gòu)在承受靜態(tài)、瞬態(tài)及諧波載荷或其合成載荷作用下，通過瞬態(tài)動力分析法可以計(jì)算得到結(jié)構(gòu)內(nèi)部任意位置隨時(shí)間變化的應(yīng)力應(yīng)變值和位移大小。與靜力分析不同的地方在于瞬態(tài)動力分析屬于結(jié)構(gòu)動力分析，后者需要將隨時(shí)間變化的載荷以及阻尼和慣性等影響因素充分考慮進(jìn)去?；谟邢拊ǖ膭恿Ψ治鲱愋筒捎玫耐ㄓ眠\(yùn)動方程如下[1]：

其中：[M]——質(zhì)量矩陣;[C]——阻尼矩陣;[K]——剛度矩陣;{ü}——節(jié)點(diǎn)加速度向量;{}——節(jié)點(diǎn)速度向量;{u}——節(jié)點(diǎn)位移向量;{F（t）}——隨時(shí)間變化的載荷向量。

在任意時(shí)刻t，上述方程同時(shí)考慮了慣性力[M]{ü}和阻尼力[C]{}[2]。利用ANSYS軟件使用Newmark時(shí)間積分法進(jìn)行求解，積分時(shí)間步長就是相鄰時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間增值。

1.2 瞬態(tài)動力學(xué)分析的主要步驟

瞬態(tài)動力學(xué)分析主要可分為以下3個步驟完成：

1.2.1 建立有限元模型

首先建立瞬態(tài)動力學(xué)分析的有限元模型，材料可設(shè)置為線性或非線性的，各向同性或各向異性皆可。

1.2.2 施加載荷并求解

瞬態(tài)分析跟靜態(tài)分析不一樣，前者施加的是隨時(shí)間變化的載荷，需要設(shè)定好載荷大小、方向以及加載時(shí)間。

按照時(shí)間間隔對于隨時(shí)間連續(xù)變化的載荷進(jìn)行采樣，然后按對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)把載荷采樣值施加到結(jié)構(gòu)上。ANSYS程序會按順序?qū)?yīng)時(shí)間點(diǎn)的載荷存入對應(yīng)的載荷文件，計(jì)算過程自動裝入時(shí)間歷程載荷，計(jì)算后的結(jié)果文件也會按時(shí)間點(diǎn)分塊存放。

1.2.3 提取結(jié)果

通過ANSYS的集成環(huán)境，設(shè)計(jì)分析人員可選擇通用后處理器POST1或時(shí)間歷程后處理器POST26來提取瞬態(tài)分析結(jié)果。通過POST1可得到模型任意時(shí)刻整體的分析結(jié)果，例如某一時(shí)刻各點(diǎn)的應(yīng)力云圖、位移云圖等;而通過POST26可得到諸如某個節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線這種自定義函數(shù)量隨時(shí)間變化的分析結(jié)果。

2? 汽車主軸模型的建立

汽車主軸是由4部分組成的，通過兩個轉(zhuǎn)軸銷將兩個主軸結(jié)合在一起[3]，如圖1所示，轉(zhuǎn)軸一端受力傳遞載荷，而轉(zhuǎn)軸另一端則設(shè)置為全約束[4]。

3? 主軸的瞬態(tài)動力學(xué)分析

3.1 主軸有限元模型的建立

建立主軸有限元模型包括建立幾何模型和幾何模型單元劃分兩部分內(nèi)容。根據(jù)主軸的實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸建立幾何模型，這樣可滿足計(jì)算精度的要求。采用實(shí)體單元（Solid45）對幾何模型進(jìn)行單元劃分[5]，將Mesh工具欄中Mesh Control（網(wǎng)格控制）中的Element Size設(shè)置為6mm。主軸的有限元模型網(wǎng)格劃分效果[6]如圖2所示。

3.2 施加約束

建模時(shí)，將力矩載荷施加在汽車主軸的一端面，將主軸的另一端面設(shè)置為固定約束，在Tabular Data中輸入隨時(shí)間連續(xù)變化的載荷值。

3.3 加載及求解

在主軸翻轉(zhuǎn)工作過程中施加一個動態(tài)變化的扭矩，重點(diǎn)研究在動態(tài)變化的扭矩作用下翻轉(zhuǎn)主軸的應(yīng)力云圖和位移云圖變化情況。圖3所示的是應(yīng)力分析云圖，圖4所示的是周向位移云圖，圖5所示的是徑向位移云圖，圖6所示是合成位移云圖。

從圖3中可以看出隨著主軸施加力矩的增大，應(yīng)力也隨之增大，圖4表明隨著施加力矩的增大，主軸周向位移也隨之增大，且在通孔周圍位移最大，圖5表明徑向位移隨著所施加的力矩的增大而增大，圖6可以看出主軸在通孔周圍位移最大，變形也最大。汽車主軸在翻轉(zhuǎn)工作過程中，通孔處受到的沖擊比主軸兩端受到的沖擊更大，隨著力矩的不斷增加，產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力將會使系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪聲[7]，同時(shí)也會影響到整個傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了盡量減小主軸在轉(zhuǎn)動工作過程中的振動和噪聲，在主軸翻轉(zhuǎn)過程中要避免出現(xiàn)力矩突然增大或突然減小的情況，此外，在滿足強(qiáng)度要求和使用性能的前提下，可以考慮將現(xiàn)有的主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，減少通孔周圍的變形[8]，以提高其工作平穩(wěn)性和傳動效率。

4? 結(jié)論

基于虛擬樣機(jī)技術(shù)對主軸有限元模型施加約束和動態(tài)扭矩，運(yùn)用有限元軟件ANSYS對汽車主軸進(jìn)行了瞬態(tài)動力學(xué)分析，得到其應(yīng)力云圖和位移云圖，結(jié)果表明主軸在翻轉(zhuǎn)過程中，通孔處受到的沖擊比主軸兩端受到的沖擊更大，隨著力矩的增加，產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力將會使系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪聲，同時(shí)也會影響到整個傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過對汽車主軸的動態(tài)特性分析，為主軸進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和后續(xù)動力學(xué)研究提供了一定參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙均海，汪夢甫.彈性力學(xué)及有限元[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2008.

[2]Schiehlen W.Multibody system dynamics：roots and perspectives[C]. Multibody System Dynamics. The Netherlands：Kluwer Academic Publishers， 1997：149-188.

[3][日]汽車技術(shù)協(xié)會，汽車強(qiáng)度[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[4]Rasser MW， Resch T， Priebsh HH. Enhanced Crankshaft Stress Calulation Method and Fatigue Lift Evaluation [C]. CIMAC Congress， openhagen， 1998.

[5]李世蕓.ANSYS9.0基礎(chǔ)及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國科學(xué)文化出版社，2005.

[6]凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS Workbench 13.0從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[7]師漢民.機(jī)械振動系統(tǒng)——分析、測試、建模、對策（上、下）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.

[8]Zhao Wansheng， Zhu di， Wang Zhenglong， etal. Research and development of nontraditional machining in china[J].International Journal of Electrical Machining， 2000 （5）：1-6.