基于CATIA對商用車轉向器殼體的CAE靜態分析

虞忠潮　鄒理炎

摘 要：CATIA是汽車及汽車零部件廠家廣泛應用的三維軟件之一，商用車轉向器殼體有時形狀不規則，用常規公式計算真實應力分布情況比較困難，用CATIA建立其三維模型及有限元模型，對殼體在最大壓力工況下進行靜態CAE分析，得到最大應力值及分布情況，從而對殼體進行結構優化和輕量化設計。

關鍵詞：轉向器殼體；CATIA；CAE分析；輕量化設計

引言

文章闡述是用CATIA軟件對商用車轉向器殼體作CAE靜態分析的應用實例。眾所周知，汽車轉向器是汽車轉向系統的關鍵零部件，更是整車的安全件之一。現如今，前橋負荷1.5噸以上的商用車幾乎都用上了液壓助力轉向器，其中殼體是轉向器的缸體，一方面承擔著高壓油，一方面需與整車聯接，起到保壓及固定轉向器的作用，尤其是支架部位有時空間結構復雜，面臨強度要求和輕量化設計的矛盾，故對轉向器進行有限元分析顯得尤為重要。

1 轉向器殼體三維模型、有限元模型的建立

利用CATIA軟件的零件設計模塊，通過拉伸、旋轉、開孔等實體工具建立轉向器殼體三維模型，從圖1中可以看出，殼體主要由活塞缸體、輸出軸箱體、安裝支架組成。也可以看出，汽車轉向器殼體空間結構形狀較為復雜，且支架過渡部分形狀不規則。這里需要說明的是，轉向器殼體上一些螺紋、工藝凸臺、工藝小孔等結構，在做三維模型時已經進行簡化，因為在CATIA做CAE分析時，太過復雜且細小的結構會嚴重影響計算，所以在做有限元分析時，根據需要對局部特征進行簡化，得到有利于有限元網格劃分的三維模型是很有必要的。然后即通過CATIA分析與模擬模塊生成網格模型，網格的劃分也是有限元分析的重要過程，網格的類型、大小對后續計算的精度和速度有較大影響，此處設為四面體網格，大小為4mm，有限元模型見圖2所示。當然在網格劃分前，需要設置殼體的材質屬性，如彈性模量、泊松比等參數，本例給出殼體材料信息，見表1。

2 轉向器殼體載荷的施加與固定

殼體承受載荷應根據轉向器在最大油壓下輸出軸扇齒兩側的軸承受力來確定其大小及工況方位，文章不講述此處計算過程，根據相關計算可得FI=60198N，F2=30473N，轉向器額定壓力10MPa，殼體支架四個孔及端面固定，基于轉向器在左右極限位置的受力方向，設定兩個工況如圖3所示。

3 計算結果的輸出及分析改進

圖4所示為Von Mises等效應力云圖，從中也可以看出，汽車轉向器殼體在最大受力時，局部最高應力已達到425MPa，超過了球墨鑄鐵QT450-10的屈服強度，從CAE計算結果來看，轉向器殼體應力多集中在支架局部形狀過渡區域，這與國內某轉向器廠家對此類轉向器殼體售后故障的統計數據相吻合，根據此計算結果可以通過加大鑄造圓角和加大強度來改善殼體此處的應力。對于應力較小的區域可以進行減材料，以達到輕量化設計的目的。

4 結束語

通過CATIA中的有限元分析模塊，對轉向器殼體進行兩種最大工況的下的靜態分析，得出與實際故障相近的應力集中區域與數值，說明筆者通過CATIA軟件來對轉向器殼體建模及作CAE分析是值得借鑒的。

參考文獻

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