馮翠云

（桂林信息科技學(xué)院，廣西桂林 541200）

0 引言

汽車擺臂在懸架中起到導(dǎo)向和支撐的作用，是懸掛系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵零部件，承載著復(fù)雜變化的載荷，其強(qiáng)度影響行車安全。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元分析技術(shù)在汽車零部件結(jié)構(gòu)分析上得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和判斷進(jìn)入了現(xiàn)代的設(shè)計(jì)分析[1-2]。本文以某汽車前下擺臂為研究對(duì)象，利用有限元分析方法對(duì)擺臂進(jìn)行強(qiáng)度分析，找出應(yīng)力集中部位和開(kāi)裂區(qū)域，然后對(duì)擺臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，最終使擺臂強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)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(fù)雜，外形由復(fù)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(qiáng)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(guò)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(guò)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(guò)程中，擺臂受到多種工況、多軸載荷隨機(jī)交替沖擊作用下，使擺臂沖壓件開(kāi)裂失效。由于擺臂體強(qiáng)度不足導(dǎo)致車輛行駛失去穩(wěn)定性，影響行車安全，為了確保其強(qiáng)度，需要對(duì)擺臂進(jìn)行力學(xué)分析。由于用傳統(tǒng)的計(jì)算方法無(wú)法滿足復(fù)雜多變的力學(xué)計(jì)算，因此，采用有限元現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)擺臂進(jìn)行數(shù)值模擬，找出破壞起始部位并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

圖1 擺臂三維模型

2 擺臂各工況及材料

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

表1 擺臂工況列表

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，為滿足擺臂的剛度要求，防止擺臂變形或者開(kāi)裂失效且不過(guò)多增加擺臂的質(zhì)量，需要找出破壞機(jī)理及破壞點(diǎn)位置，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。當(dāng)正應(yīng)力大于極限強(qiáng)度σb時(shí)，會(huì)引起斷裂；當(dāng)正應(yīng)力達(dá)到屈服極限σs時(shí)，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(jì)算中直接判斷裂紋起始發(fā)生部位和應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力σ1大小，因此需要借助有限元模擬計(jì)算分析來(lái)獲得擺臂應(yīng)力集中部位和應(yīng)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(hào)和力學(xué)性能如表2所示。因?yàn)閿[臂失效主要發(fā)生在沖壓件上，所以重點(diǎn)關(guān)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(qiáng)度為420 MPa，抗拉強(qiáng)度為480～620 MPa。

表2 擺臂材料牌號(hào)及其力學(xué)性能[5]

3.2 有限元模型建立

模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、載荷、約束條件等處理是否合理，直接影響計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果吻合程度。為了驗(yàn)證擺臂的性能是否滿足要求，結(jié)合強(qiáng)度工況和材料力學(xué)性能，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析[3]。有限元分析時(shí)，為了便于計(jì)算，把與擺臂總成計(jì)算結(jié)果無(wú)關(guān)的零件去掉后，通過(guò)CATIA軟件導(dǎo)出STEP 格式文件進(jìn)入網(wǎng)格處理軟件Hypermesh。利用Hypermesh強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分加手動(dòng)調(diào)整的方法，合理控制網(wǎng)格類型，將形狀復(fù)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(gè)，三維單元C3D8R單元52 010個(gè)，如圖2所示。前后襯套硬點(diǎn)處分別可以繞平行X、Z軸旋轉(zhuǎn)，設(shè)置為鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，焊縫采用耦合方式處理，接附點(diǎn)加載，按慣性釋放計(jì)算。在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，孔的表面可以用剛體約束的鉸鏈節(jié)點(diǎn)耦合設(shè)置[6]。在Hypermesh中設(shè)置通用靜力學(xué)分析步計(jì)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(dǎo)出到ABAQUS中進(jìn)行求解。

圖2 簡(jiǎn)化有限元模型

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

擺臂受到20種工況載荷的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)，如表3所示。通過(guò)表3分析結(jié)果獲知，工況4滿載（z=-g）最大應(yīng)力為670.5 MPa、工況5左轉(zhuǎn)彎應(yīng)力為672.7 MPa、工況19雙后輪過(guò)坎2.5g應(yīng)力為548.0 MPa。擺臂在3個(gè)工況載荷作用下的應(yīng)力云圖如圖4、圖5、圖6所示，靜力學(xué)分析得到Von Mises等效應(yīng)力云圖顯示，應(yīng)力集中區(qū)域的最大等效應(yīng)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(huì)破裂。應(yīng)力集中位置在如圖4 和圖6 下沖壓件中間的不規(guī)則長(zhǎng)孔位置，以及圖5下沖壓件與前襯套焊接部位。分析應(yīng)力集中超過(guò)材料許用應(yīng)力的主要原因是：1）下沖壓件異形長(zhǎng)孔兩頭大小不一致，其形狀及位置設(shè)計(jì)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(guò)分析可以獲知，擺臂結(jié)構(gòu)和焊縫需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

圖4 工況4等效應(yīng)力云圖

圖5 工況5等效應(yīng)力云圖

圖6 工況19等效應(yīng)力云圖

表3 20種工況強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

4.2 擺臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)后分析

1）根據(jù)圖4、圖5、圖6所示，對(duì)應(yīng)力集中處和破壞部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)：第一，在下沖壓件異形長(zhǎng)孔應(yīng)力集中處，把不規(guī)則的長(zhǎng)孔改成規(guī)則長(zhǎng)形孔，其形狀是長(zhǎng)孔對(duì)稱設(shè)計(jì)；第二，焊縫高度由原來(lái)的2.5 mm改成3.5 mm，如圖7所示。最后把修改好的模型導(dǎo)入到Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格前處理，邊界條件設(shè)置好后， 導(dǎo)入到Abaqus 軟件中進(jìn)行計(jì)算。

圖7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)位置圖

2）計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示。針對(duì)擺臂薄弱局部進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)后計(jì)算結(jié)果表明：原來(lái)應(yīng)力超過(guò)材料許用應(yīng)力的三個(gè)工況，工況4滿載（z=-g）最大應(yīng)力由原來(lái)的670.5 MPa降到364.8 MPa,工況5左轉(zhuǎn)彎應(yīng)力由原來(lái)的672.7 MPa降為62.89 MPa, 工況19雙后輪過(guò)坎2.5g應(yīng)力原來(lái)的548.0 MPa降為320.5 MPa。如圖8、圖9、圖10所示。改進(jìn)后的擺臂強(qiáng)度分析結(jié)果顯示,最大應(yīng)力為364.8 MPa，小于材料的許用應(yīng)力[σ]=480～620 MPa，也小于材料的屈服強(qiáng)度420 MPa。根據(jù)公式（1）及強(qiáng)度理論可知，擺臂總成安全可靠,不會(huì)發(fā)生破裂。

表4 20種工況強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖8 工況4等效應(yīng)力云圖

圖9 工況5等效應(yīng)力云圖

圖10 工況19等效應(yīng)力云圖

3）擺臂產(chǎn)品實(shí)物圖如圖11所示，在擺臂下沖壓件中間長(zhǎng)孔形狀和位置，以及前襯套焊縫進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改進(jìn)后，滿足設(shè)計(jì)要求。利用有限元分析找出應(yīng)力集中超過(guò)材料許用應(yīng)力部位，對(duì)零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，避免了應(yīng)力集中的發(fā)生。擺臂零件結(jié)構(gòu)改進(jìn)后安全可靠，與計(jì)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(shí)物圖

5 結(jié)論

擺臂工況復(fù)雜，傳統(tǒng)的手工計(jì)算量大，且很難發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中部位，利用有限元技術(shù)可以有效解決這一問(wèn)題。對(duì)零件進(jìn)行靜力分析，通過(guò)計(jì)算獲得應(yīng)力集中的最大應(yīng)力部位，即破壞點(diǎn)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，避免了產(chǎn)品開(kāi)裂失效。影響應(yīng)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(guò)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(jìn)設(shè)計(jì)合理，為類似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)新思路和新方法。