Abaqus在輕型商用車后橋總成強(qiáng)度分析中的應(yīng)用

2013-07-02  by:廣州ABAQUS培訓(xùn)中心  來源:仿真在線

汽車后橋總成作為車輛的一個(gè)重要的承載部件,其質(zhì)量對(duì)車輛的安全性和可靠性具有重要影響。本文以某款輕型商用車后橋總成為分析對(duì)象,利用有限元軟件Abaqus對(duì)后橋總成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了非線性有限元分析,分別模擬了轉(zhuǎn)向工況和垂直跳動(dòng)工況,分析結(jié)果表明后橋總成滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

1 前言

    汽車后橋總成作為車輛的一個(gè)重要的承載部件,傳遞著車架與路面之間各個(gè)方向的作用力,其質(zhì)量對(duì)車輛的安全性和可靠性具有重要影響。因而,對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析具有非常重要的意義。有限元前處理軟件HyperMesh是一款高效快捷的網(wǎng)格處理軟件,針對(duì)復(fù)雜模型可以很方便地生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。同時(shí)HyperMesh與CAD軟件、求解軟件都有豐富的接口。有限元軟件Abaqus針對(duì)復(fù)雜的非線性問題提供了強(qiáng)大的有限元理論解決方案,可以方便地解決汽車仿真分析中的各種問題,被廣泛應(yīng)用于汽車整車、子系統(tǒng)及零部件的仿真分析中。

    本研究選用HyperWorks作為前后處理工具,Abaqus求解器對(duì)汽車座椅塑料件進(jìn)行有限元分析。HyperMesh軟件是美國(guó)Altair 公司的產(chǎn)品,是世界領(lǐng)先的、功能強(qiáng)大的CAE應(yīng)用軟件包,也是一個(gè)創(chuàng)新、開放的企業(yè)級(jí)CAE平臺(tái),它集成了設(shè)計(jì)與分析所需的各種工具,具有強(qiáng)大的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面。在CAE領(lǐng)域,HyperMesh最著名的特點(diǎn)是它所具有的強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格前處理和后處理功能。同時(shí)HyperMesh支持很多不同的求解器輸入輸出格式,這樣在利用HyperMesh劃分好模型的有限元網(wǎng)格后,可以直接把計(jì)算模型轉(zhuǎn)化成不同的求解器文件格式。

    Abaqus被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件,可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng),特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題。Abaqus不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場(chǎng)的分析,同時(shí)還可以做系統(tǒng)級(jí)的分析和研究。由于Abaqus優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使其被廣泛地用于各國(guó)的工業(yè)和研究中。

    本文以某款輕型商用車后橋總成作為分析對(duì)象,利用HyperMesh軟件作為前處理軟件,有限元軟件Abaqus作為求解器,對(duì)后橋總成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了接觸非線性有限元分析,分別模擬了轉(zhuǎn)向工況和垂直跳動(dòng)工況,得到后橋總成的應(yīng)力分布情況。分析結(jié)果表明,后橋總成能夠滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。

2 分析描述

    2.1 理論背景

    2.1.1 彈性力學(xué)的基本方程

    (1)平衡方程: Abaqus在輕型商用車后橋總成強(qiáng)度分析中的應(yīng)用流體仿真分析圖片圖片1

    (2)幾何方程:Abaqus在輕型商用車后橋總成強(qiáng)度分析中的應(yīng)用cfd學(xué)習(xí)資料圖片2

    (3)本構(gòu)方程:Abaqus在輕型商用車后橋總成強(qiáng)度分析中的應(yīng)用cfd學(xué)習(xí)資料圖片3

    其中Abaqus在輕型商用車后橋總成強(qiáng)度分析中的應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)圖片圖片4

    如果解出應(yīng)力σij,則上式可以轉(zhuǎn)換為

    Abaqus在輕型商用車后橋總成強(qiáng)度分析中的應(yīng)用流體仿真分析圖片圖片5

    求解彈性力學(xué)的控制方程的目的在于求出物體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。

    2.1.2 邊界條件

    彈性體V的全部邊界條件為S。一部分邊界條件上已知外力Tx,Ty,Tz,稱為力的邊界條件,這部分邊界條件用Sσ表示;另一部分邊界上彈性體的位移Abaqus在輕型商用車后橋總成強(qiáng)度分析中的應(yīng)用cfd多物理場(chǎng)耦合相關(guān)圖片6已知,稱為幾何邊界條件或位移邊界條件,這部分邊界條件用Su 表示。這兩部分的邊界條件構(gòu)成彈性體的全部邊界,即:

Sσ+Sμ=S

    (1)力的邊界條件

    給定物體的體力和面力,求在平衡狀態(tài)下的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng),即所謂邊界應(yīng)力已知的問題。

    彈性體在邊界上單位面積的內(nèi)力為Tx,Ty,Tz,在邊界Sσ上已知彈性體單位面積上作用的面積力為Tx,Ty,Tz,根據(jù)平衡有:

    T=T(在Sσ上)

    其中,T=nσ

    設(shè)邊界外法線為N,其余弦為nx,ny,nz

    Abaqus在輕型商用車后橋總成強(qiáng)度分析中的應(yīng)用cfd流體分析圖片7

    (2)幾何邊界條件

    給定物體的體力和物體表面各點(diǎn)的位移,求在平衡狀態(tài)下的應(yīng)力場(chǎng)和物體內(nèi)部的位移場(chǎng),即所謂邊界位移已知的問題。

    在Su上彈性體的位移已知,根據(jù)平衡有:

 Abaqus在輕型商用車后橋總成強(qiáng)度分析中的應(yīng)用cfd應(yīng)用技術(shù)圖片圖片8 

    (3)混合邊界問題

    在物體表面上一部分給定面力,其余部分給定位移(或在部分表面上給定外力和位移關(guān)系)的條件下求解上述問題。即所謂混合邊值問題。

    一般處理的方法有:

    ①位移法。用位移作為基本未知量來求解邊值問題。將一切位置量和基本方程都轉(zhuǎn)化為用位移表示(給定位移邊界條件)。

    ②應(yīng)力法。用應(yīng)力作為基本未知量來求解邊值問題。將一切未知量和基本方程都轉(zhuǎn)換為用應(yīng)力表示(給定應(yīng)力邊界條件)。

    ③混合法。解決第三類邊值問題。

    2.1.3 彈性體的應(yīng)變能和余能

    單位體積的應(yīng)變能(應(yīng)變能密度):

Abaqus在輕型商用車后橋總成強(qiáng)度分析中的應(yīng)用流體仿真分析圖片圖片9

    應(yīng)變能是個(gè)正定函數(shù),只有當(dāng)彈性體內(nèi)所有的點(diǎn)都沒有應(yīng)變時(shí),應(yīng)變能才為零。

    單位體積的余能(余能密度):

Abaqus在輕型商用車后橋總成強(qiáng)度分析中的應(yīng)用cfd多物理場(chǎng)耦合相關(guān)圖片10

    余能也是個(gè)正定函數(shù),在線彈性力學(xué)中彈性體的應(yīng)變能等于余能。

 

    2.2 有限元模型

    本分析針對(duì)某款輕型商用車后橋總成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行,分析模型包括:后橋、板簧座、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂、軸承、墊圈、螺栓。模型利用Hypermesh 9.0劃分網(wǎng)格、添加邊界條件、施加載荷,由Abaqus 6.9求解器進(jìn)行求解并使用Abaqus/CAE進(jìn)行后處理。網(wǎng)格單元類型為C3D10M,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為509732,單元總數(shù)為301032。分析模型如圖1所示(模型左右對(duì)稱)。

圖1 后橋總成有限元模型

圖1 后橋總成有限元模型

    2.3 材料參數(shù)

    本次仿真分析涉及6 種材料,其材料參數(shù)如表1所示。
   
    2.4 邊界條件和載荷

    后橋與板簧座、后橋與轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)與螺栓均采用Tie連接,轉(zhuǎn)向節(jié)與軸承、輪轂與軸承、軸承與墊圈、墊圈與螺母等采用contact pair進(jìn)行連接,摩擦系數(shù)取0.15。本次進(jìn)行轉(zhuǎn)向和垂直跳動(dòng)兩種工況的仿真計(jì)算,分析中,約束左邊板簧座螺栓孔中心點(diǎn)的x、z向平動(dòng)自由度及y向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,約束右邊板簧座螺栓孔中心點(diǎn)的x、y、z向平動(dòng)自由度;分別在左右車輪著力點(diǎn)與轉(zhuǎn)向節(jié)下吊耳處施加外部載荷和振動(dòng)器作用力。分析模型邊界條件如圖2所示,各個(gè)工況下載荷如表2所示。

表1 仿真分析采用的材料參數(shù)

表1 仿真分析采用的材料參數(shù)

圖2 邊界條件

圖2 邊界條件

表2 各工況下載荷

表2 各工況下載荷

3 仿真結(jié)果

    經(jīng)過對(duì)仿真結(jié)果的分析,后橋總成中,重要零部件轉(zhuǎn)向節(jié)的受力情況最為惡劣,本文僅對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行應(yīng)力顯示與應(yīng)力分析。

    轉(zhuǎn)向節(jié)采用42CrMo4材料,其屈服強(qiáng)度為930MPa,抗拉強(qiáng)度為1080MPa。計(jì)算得到的結(jié)果如圖3~圖6所示。

    通過應(yīng)力云圖,我們可以很直觀地觀察到轉(zhuǎn)向節(jié)的應(yīng)力分布情況。在轉(zhuǎn)向工況下,左右轉(zhuǎn)向節(jié)最大的應(yīng)力分別為810MPa、760MPa,小于材料的屈服極限930MPa,符合材料要求。在垂向跳動(dòng)工況下,左右轉(zhuǎn)向節(jié)最大的應(yīng)力分別為553MPa、578MPa,小于材料的屈服極限930MPa,符合材料強(qiáng)度要求。

圖3 轉(zhuǎn)向工況- 左轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

圖3 轉(zhuǎn)向工況- 左轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

圖4 轉(zhuǎn)向工況- 右轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

圖4 轉(zhuǎn)向工況- 右轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

圖5 垂直跳動(dòng)工況- 左轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

圖5 垂直跳動(dòng)工況- 左轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

圖6 垂直跳動(dòng)工況- 右轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

圖6 垂直跳動(dòng)工況- 右轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

    1、本文利用有限元軟件Abaqus對(duì)某款輕型商用車后橋總成進(jìn)行了有限元分析,分別模擬了轉(zhuǎn)向工況和垂直跳動(dòng)工況;分析結(jié)果表明后橋總成的最大應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力,滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

    2、作為非線性有限元分析軟件的杰出代表,Abaqus可以方便并準(zhǔn)確地處理復(fù)雜的非線性問題,對(duì)輕型商用車的后橋總成的有限元分析提供了強(qiáng)大的解決方案。


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