基于HyperWorks的汽車前橋有限元分析

摘要:前橋是汽車的重要部件之一，應具有足夠的強度和剛度。該文運用有限元軟件HyperWorks對前橋進行應力變形分析，用UG建立三維模型后導入HyperWorks生成有限元模型，計算緊急制動、側滑、越過不平路面三種典型工況下的應力及變形。由計算結果知，前橋的受力變形符合強度要求。

關鍵詞:前橋; 有限元; HyperWorks

中圖分類號:TH16文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)14-3792-02

Finite Element Analysis of Vehicle Front Axle based on HyperWorks

XONG Xiang-jin

(China Railway No.4 Engineering Group Co.LTD， Hefei 230041， China)

Abstract: Front axle is one of important parts of vehicle， it should have enough intensity. This article applied finite element software HyperWorks to analyzed the stress and distortion of the front axle. The 3D model was build by UG and the finite element model was made after it transmitted into HyperWorks. Three kinds of typical situation were calculated about the stress and distortion. As the result， the load and distortion of the front axle accorded with the demand.

Key words: Front axle; finite element; HyperWorks

1 引言

傳統的產品設計流程是一個人工反復進行設計的過程。工程師借助CAD工具進行產品的設計，接著提交工廠進行加工制造，然后對產品進行實物試驗。如果產品不能滿足功能要求或者失效，就需要對產品設計進行修改，甚至重新設計，如此反復，直到產品在實物試驗中滿足全部要求為止。隨著計算機軟硬件技術的發展，CAE技術日趨成熟，各種數值仿真方法，如有限元、多體動力學、計算流體力學等技術，在產品設計中得到大量的應用。產品在完成初步設計后，可以基于CAD模型進行產品性能的虛擬試驗，初步檢驗其工作應力、運動過程、產品壽命等。如果產品不能滿足要求，可以立即返回給設計人員進行修改或重新設計，從而大大縮短實物試驗周期和降低費用。

前橋是汽車上的重要部件之一，是連接車身與車輪的重要部件。它主要承受懸架傳來的垂直載荷，同時又承受車輪傳來的制動力及側滑扭矩，因此對其強度，抗沖擊性，疲勞強度及可靠性方面都有很高的要求，所以，對前橋進行強度分析十分有必要。

2 前橋受力分析

前橋的受力主要按照3種危險工況來進行分析計算，分別為:緊急制動工況，側滑工況和越過不平路面工況。前橋的基本受力情況按方向主要分為垂直力、側向力和縱向力三個方向。根據車輛行駛過程中受力分析可得:緊急制動工況為垂直力和縱向力共同作用的組合工況;側滑工況為垂直力和側向力的組合工況;越過不平路面工況為垂直力單獨作用的工況。

1) 制動時的載荷為板簧加載處所承受的垂直力和縱向制動力的組合，此時垂向反力為:

式中，G1為滿載靜止時前橋的垂直載荷，m1'為制動時質量轉移系數，這里取1.7。

縱向制動力為:

式中，φ為輪胎與地面的附著系數，取0.8。

該工況下的垂向載荷和制動力都以均布施加于板簧座上。

2) 側滑工況時的載荷為側向力與垂向力的組合，側向反力為:

垂向反力為:

式中，下標L和R分別為左側和右側車輪; hg為滿載時質心高度， rr'板簧座上表面的離地高度，φ1為側滑系數，取1.0，B為汽車輪距，H為滿載時的重心高度，S為兩板簧座中心的距離。

3) 越過不平路面時的載荷為最大垂直動載荷，為:

式中，K為動載荷系數，取2.5，G1為前輪靜載荷以面力施加于板簧座上表面上。

3 模型的建立

3.1 HyperWorks軟件簡介

Altair公司的HyperWorks軟件為用戶提供優秀的前處理工具HyperMesh，用于實現優化設計的OptiStruct技術以及全面而通用的CAE后處理環境HyperView。除此之外，它還提供魯棒性研究、集成的制造工藝仿真、流程自動化和數據管理等方面的支持，集成了設計與分析所需的各種工具，在汽車、航空航天、重裝備、國防、消費品、石油天然氣以及生命和地球科學等行業得到廣泛的應用。

3.2 有限元模型的建立

前橋的基本結構比較復雜，為了減少不必要的計算量，在實際建模時進行適當的簡化，

去除對結果影響不大的凸臺和倒角，先利用UG進行三維建模，然后將模型轉化成IGES格式輸出后導入HyperMesh中，對模型表面進行二維網格劃分，檢查沒有網格錯誤之后再生成四面體單元三維網格，生成的模型如圖1所示。

前橋的加載和約束按照實際情況，對前橋兩端主銷端孔進行約束，載荷加載于板簧座處。前橋材料的彈性模量E=210GP，泊松比為0.3，屈服極限σs=400MPa，強度極限 σb=550MPa。由于該材料為塑性材料，所以應以屈服極限作為極限應力。

4 計算結果及分析

前橋所受的載荷為1445Kg，前輪輪距為1050mm，滿載質心高度為1070mm，板簧座中心間距為900mm。計算結果顯示最大應力發生在越過不平路面工況，最大應力為77.8MPa，如圖2所示;最大變形為0.46mm，如圖3所示。圖4和圖5為緊急制動和側滑工況下的應力分布圖。

最大應力產生的部位位于前橋一側靠近主銷端孔處，不過應力遠遠小于材料的屈服極限，故安全系數較高，很好地滿足了強度要求。

5 結論

本文利用HyperWorks對汽車前橋進行強度有限元計算分析，由分析結果可知，利用計算機工程軟件進行有限元計算能夠對汽車結構進行比較全面的分析，可以有效地減少試驗周期，降低設計與制造費用，顯著減少了車型的開發周期。

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