基于ANSYS Workbench的橫孔毛刺疲勞沖擊有限元分析

劉 濤 田春林 李麗娟 侯茂盛

（長春理工大學光電工程學院，吉林長春130022）

0 引言

汽車制動器是汽車底盤的重要部件，是關系到整車安全性能的重要組成部分，直接影響駕乘人員的生命安全，作為汽車制動器最重要的一個零件——制動主缸，其加工質量受到各大主機廠的高度重視，并要求其關鍵工藝需配備專用加工設備以保證加工質量。缸體材料多以鋁合金為主，具有較好的塑性，所以在加工主缸的過程中，會在主缸的主孔與橫孔相交處產生毛刺，如果毛刺保留下來，會損傷活塞的密封圈，導致剎車供油壓力下降，制動力不足。現在多采用人工方法去除毛刺，難以滿足各大主機廠對制動主缸的加工要求，所以，研究適用于橫孔毛刺去除的加工工藝與設備迫在眉睫。由于橫孔直徑很小且流體疲勞沖擊工況復雜，通過數學方法很難對其進行計算，而利用有限元分析軟件，如ANSYS，可以對橫孔毛刺流體疲勞沖擊過程進行仿真，使分析較為合理[1]。

1 橫孔毛刺三維實體模型

零件三維實體模型的建立是進行優選分析的前提，建立的模型是否與實際工況相符直接影響有限元的分析結果。與經典ANSYS APDL參數化建模方式相比，ANSYS Workbench屬于CAE整合軟件平臺，其操作界面更為友好，建模操作更加便利[2-4]。

本文采用CATIA V5R20三維建模軟件來建立橫孔毛刺的三維實體模型，通過ANSYS SCDM軟件進行轉化使其成為ANSYS Workbench可操作的實體模型，最后在Workbench的Fluent分析模塊中對橫孔毛刺進行流體疲勞沖擊仿真分析[5-6]，如圖1所示。

圖1 橫孔毛刺三維幾何模型

2 橫孔毛刺的有限元模型

首先，將液壓油噴出位置假設為軸對稱結構，取過軸線的1/2截面，毛刺主要分布在進油槽和出油槽的內表面上。然后，將進油槽上的毛刺稱為進口毛刺，出油槽上的毛刺稱為出口毛刺。本文主要考慮液壓油流出處的毛刺（即出口毛刺），同時將毛刺的分布延伸擴大到槽的外部。

完成噴油嘴建模后，通過對接口進行數據傳遞，進入Fluent完成壓力分析。為了能夠獲得符合工況的網格，需采用半自動網格劃分方法，假設每條邊界的網格邊界條件滿足流體運動邊界控制方程，會對數值計算產生很大的影響。根據分析方法的不同，選擇的邊界條件也應該隨之改變。本文首先設計入口邊界分別為30 MPa、20 MPa和10 MPa，代表疲勞沖擊液壓油壓力強度，而出口邊界采用默認的出口壓力，固體壁面選用默認參數。

3 有限元分析結果

通過仿真分析，液壓油工作壓力為30MPa的工況下，靜壓力分布圖、動壓力分布圖和流速分布圖如圖2～圖4所示，能夠反映在流體持續疲勞沖擊過程中橫孔毛刺本身所處的狀態。

圖2 靜壓力分布圖

圖3 動壓力分布圖

圖4 流速分布圖

分析圖2～圖4可知，當噴油壓力為30 MPa時，制動主缸入口和出口相交處的內部液壓油流動狀態非常復雜，屬于高速、高壓不斷圍繞毛刺軸線進行旋轉的湍流運動；液壓油從入口流至出口的過程中壓力和流速是逐漸減小的，毛刺根部所承受的最大靜壓力為4.37×106MPa，最大動壓力為2.26×107Pa，最大流速為261 m/s。通過上述參數能夠得到，毛刺在受到30 MPa液壓油持續疲勞沖擊的過程中能夠實現0.2～0.5 mm毛刺的去除。

4 結語

本文運用CATIA V5R20建立橫孔毛刺的三維實體模型，運用ANSYS Workbench仿真平臺中的Fluent流體分析模塊進行網格劃分、邊界條件約束，其中包括進口壓強、出口壓強和墻壁條件，完成制動主缸橫孔毛刺有限元分析模型的建立。對疲勞沖擊液壓油壓強為30 MPa、20 MPa和10 MPa的工況下毛刺周圍的流場狀態進行仿真分析，得到流場參數信息。通過分析結果，證明流體疲勞沖擊加工能夠滿足橫孔毛刺的加工要求且去除率達到95%。反沖加工還可以應用于其他內孔類零件的加工。