基于數(shù)值模擬的汽車擺臂強度分析及結(jié)構(gòu)改進

馮翠云

（桂林信息科技學院，廣西桂林 541200）

0 引言

汽車擺臂在懸架中起到導向和支撐的作用，是懸掛系統(tǒng)中的一個關鍵零部件，承載著復雜變化的載荷，其強度影響行車安全。隨著計算機技術的快速發(fā)展，有限元分析技術在汽車零部件結(jié)構(gòu)分析上得到了廣泛的應用，對產(chǎn)品設計理念產(chǎn)生了深遠的影響，產(chǎn)品設計分析從傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計和判斷進入了現(xiàn)代的設計分析[1-2]。本文以某汽車前下擺臂為研究對象，利用有限元分析方法對擺臂進行強度分析，找出應力集中部位和開裂區(qū)域，然后對擺臂進行結(jié)構(gòu)改進，最終使擺臂強度滿足設計要求。

1 擺臂模型建立

由于擺臂由板材件沖壓而成，其結(jié)構(gòu)形狀復雜，外形由復雜曲面構(gòu)成，由于有限元軟件建模能力比較弱，因此，利用CATIA軟件強大的建模功能建立擺臂三維模型，如圖1所示。擺臂采用板料沖壓后焊接結(jié)構(gòu)形式，擺臂主要由上沖壓件、下沖壓件和管套等零件焊接后，通過螺栓連接而成。擺臂上下沖壓件和管套焊接高度為t=2.5 mm，球頭座與焊接件通過3-M10螺栓緊固連接，如圖1所示。擺臂失效的主要原因是：在車輛行駛過程中，擺臂受到多種工況、多軸載荷隨機交替沖擊作用下，使擺臂沖壓件開裂失效。由于擺臂體強度不足導致車輛行駛失去穩(wěn)定性，影響行車安全，為了確保其強度，需要對擺臂進行力學分析。由于用傳統(tǒng)的計算方法無法滿足復雜多變的力學計算，因此，采用有限元現(xiàn)代設計方法對擺臂進行數(shù)值模擬，找出破壞起始部位并進行結(jié)構(gòu)改進。

圖1 擺臂三維模型

2 擺臂各工況及材料

在車輛行駛過程中，前下擺臂受到20種工況載荷作用，載荷復雜多變，如表1所示。

表1 擺臂工況列表

在產(chǎn)品設計時，為滿足擺臂的剛度要求，防止擺臂變形或者開裂失效且不過多增加擺臂的質(zhì)量，需要找出破壞機理及破壞點位置，并進行結(jié)構(gòu)改進。當正應力大于極限強度σb時，會引起斷裂；當正應力達到屈服極限σs時，將產(chǎn)生屈服或出現(xiàn)顯著塑性變形[4]。

由于不能從傳統(tǒng)計算中直接判斷裂紋起始發(fā)生部位和應力集中處的最大應力σ1大小，因此需要借助有限元模擬計算分析來獲得擺臂應力集中部位和應力大小。

3 擺臂靜力有限元分析

3.1 材料屬性

擺臂焊接件的材料牌號和力學性能如表2所示。因為擺臂失效主要發(fā)生在沖壓件上，所以重點關注分析的是擺臂上下沖壓件，上沖壓件料厚t=3.5 mm，下沖壓件料厚t=3.0 mm，材料屈服強度為420 MPa，抗拉強度為480～620 MPa。

表2 擺臂材料牌號及其力學性能[5]

3.2 有限元模型建立

模型結(jié)構(gòu)簡化、載荷、約束條件等處理是否合理，直接影響計算結(jié)果與實際結(jié)果吻合程度。為了驗證擺臂的性能是否滿足要求，結(jié)合強度工況和材料力學性能，對其進行強度分析[3]。有限元分析時，為了便于計算，把與擺臂總成計算結(jié)果無關的零件去掉后，通過CATIA軟件導出STEP 格式文件進入網(wǎng)格處理軟件Hypermesh。利用Hypermesh強大的網(wǎng)格劃分功能，采用自動網(wǎng)格劃分加手動調(diào)整的方法，合理控制網(wǎng)格類型，將形狀復雜的擺臂模型劃分，得到合理的網(wǎng)格。上下沖壓件和套管采用殼單元S4R,球頭座和螺栓采用C3D8R單元，劃分出殼單元S4R單元47 237個，三維單元C3D8R單元52 010個，如圖2所示。前后襯套硬點處分別可以繞平行X、Z軸旋轉(zhuǎn)，設置為鉸鏈轉(zhuǎn)動，焊縫采用耦合方式處理，接附點加載，按慣性釋放計算。在進行數(shù)值模擬計算時，孔的表面可以用剛體約束的鉸鏈節(jié)點耦合設置[6]。在Hypermesh中設置通用靜力學分析步計算，建立好分析模型，輸入材料特性，施加載荷和邊界條件后，導出到ABAQUS中進行求解。

圖2 簡化有限元模型

4 計算結(jié)果分析

4.1 原始設計結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

擺臂受到20種工況載荷的計算結(jié)果統(tǒng)計，如表3所示。通過表3分析結(jié)果獲知，工況4滿載（z=-g）最大應力為670.5 MPa、工況5左轉(zhuǎn)彎應力為672.7 MPa、工況19雙后輪過坎2.5g應力為548.0 MPa。擺臂在3個工況載荷作用下的應力云圖如圖4、圖5、圖6所示，靜力學分析得到Von Mises等效應力云圖顯示，應力集中區(qū)域的最大等效應力為672.7 MPa，大于材料允許的最大值620 MPa，根據(jù)σ1＜[σ]可以判斷擺臂會破裂。應力集中位置在如圖4 和圖6 下沖壓件中間的不規(guī)則長孔位置，以及圖5下沖壓件與前襯套焊接部位。分析應力集中超過材料許用應力的主要原因是：1）下沖壓件異形長孔兩頭大小不一致，其形狀及位置設計不合理；2）下沖壓件與前襯套焊接焊縫高度及焊縫大小不合理。通過分析可以獲知，擺臂結(jié)構(gòu)和焊縫需要進行結(jié)構(gòu)改進。

圖4 工況4等效應力云圖

圖5 工況5等效應力云圖

圖6 工況19等效應力云圖

表3 20種工況強度計算結(jié)果

4.2 擺臂結(jié)構(gòu)改進后分析

1）根據(jù)圖4、圖5、圖6所示，對應力集中處和破壞部位進行結(jié)構(gòu)改進：第一，在下沖壓件異形長孔應力集中處，把不規(guī)則的長孔改成規(guī)則長形孔，其形狀是長孔對稱設計；第二，焊縫高度由原來的2.5 mm改成3.5 mm，如圖7所示。最后把修改好的模型導入到Hypermesh進行網(wǎng)格前處理，邊界條件設置好后， 導入到Abaqus 軟件中進行計算。

圖7 結(jié)構(gòu)改進位置圖

2）計算結(jié)果統(tǒng)計如表4所示。針對擺臂薄弱局部進行結(jié)構(gòu)改進，改進后計算結(jié)果表明：原來應力超過材料許用應力的三個工況，工況4滿載（z=-g）最大應力由原來的670.5 MPa降到364.8 MPa,工況5左轉(zhuǎn)彎應力由原來的672.7 MPa降為62.89 MPa, 工況19雙后輪過坎2.5g應力原來的548.0 MPa降為320.5 MPa。如圖8、圖9、圖10所示。改進后的擺臂強度分析結(jié)果顯示,最大應力為364.8 MPa，小于材料的許用應力[σ]=480～620 MPa，也小于材料的屈服強度420 MPa。根據(jù)公式（1）及強度理論可知，擺臂總成安全可靠,不會發(fā)生破裂。

表4 20種工況強度計算結(jié)果

圖8 工況4等效應力云圖

圖9 工況5等效應力云圖

圖10 工況19等效應力云圖

3）擺臂產(chǎn)品實物圖如圖11所示，在擺臂下沖壓件中間長孔形狀和位置，以及前襯套焊縫進行結(jié)構(gòu)加強改進后，滿足設計要求。利用有限元分析找出應力集中超過材料許用應力部位，對零件進行結(jié)構(gòu)改進，避免了應力集中的發(fā)生。擺臂零件結(jié)構(gòu)改進后安全可靠，與計算分析結(jié)果基本一致，目前產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn)。

圖11 產(chǎn)品實物圖

5 結(jié)論

擺臂工況復雜，傳統(tǒng)的手工計算量大，且很難發(fā)現(xiàn)應力集中部位，利用有限元技術可以有效解決這一問題。對零件進行靜力分析，通過計算獲得應力集中的最大應力部位，即破壞點，然后進行結(jié)構(gòu)改進，避免了產(chǎn)品開裂失效。影響應力集中的主要因素是：第一，產(chǎn)品減重孔的形狀以及位置；第二，焊縫的大小和形狀。最后，通過產(chǎn)品試制表明，有限元分析和試制樣件結(jié)果基本一致，零件結(jié)構(gòu)改進設計合理，為類似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計提供了設計新思路和新方法。