基于ANSYS的四種汽車運行工況下擺臂有限元分析

呂新飛

摘 要：對某款汽車前懸架擺臂的四種工況進行模型建立并通過ANSYS對模型進行了有限元分析，通過分析發現了該類擺臂的問題兵進行了相關結構優化。在條件相同的情況下，對優化后的部件進行有限元分析，與改進前比對進行了相關驗證，對提高懸架的擺臂的抗疲勞性與結構強度起到了現實的指導意義。

關鍵詞：ANSYS;汽車;擺臂

引言：擺臂是懸架的導向和支撐，在行駛過程中，擺臂承受著縱向力和橫向力，與支架間形成雙方向的力矩，長時間工作將加劇其疲勞度，甚至引發斷裂。懸架擺臂如果失效，將影響汽車各項性能的正常發揮，尤其是車輪的回轉;而擺臂一旦在行駛過程中發生斷裂，勢必會導致汽車運行穩定性的崩潰，造成嚴重的事故。在對擺臂進行設計時，不僅要考慮當前汽車零部件輕量化問題，更重要的是要合理的力學分析設計保證其性能的可靠。本文針對當前較為普遍的三點式擺臂進行有限元分析，在四種工況的情況下，針對薄弱部位進行結構優化，在與前分析結果進行比對，得到了相關合理性建議[1]。

一、材料與屬性

QSTE420為細晶粒鋼，用于要求良好的冷成型性能并有較高或高強度要求的汽車大梁、橫梁等汽車結構件。在這里用來制作汽車懸架擺臂，表1介紹了此類鋼部分力學性能。[2]

二、受力分析

在汽車常用的行駛工況，分為以下四種類型：垂直滿載，最大減速度制動，最大側向加速度轉向，凹凸路面。垂直滿載工況下，汽車處于滿載靜態，由于重力作用，擺臂主要受到垂向力;最大減速度制動工況下，由于慣性，車輛減速擺臂受到最大縱向制動力;最大側向加速度轉向工況下，由于離心力的影響，在擺臂上的表現為最大側向力;凹凸路面工況下，擺臂工作情況較為復雜（凹凸路面力方向的時間變化），同時受到縱向、垂向與側向力。在接下來的ansys分析中，本文將查詢到的力數據，如表2所示，分別加載到對應工況上，得到對應工況的擺臂的應力集中與形變狀況。[3]

三、約束條件

擺臂作為連接懸架與車架的紐帶，其實際運動受到限制，主要表現在只能繞著軸線轉動。在用ansys進行分析時，需要添加約束使其只能繞著x軸（軸線）轉動，限制其空間自由度維持在1，約束住其在y，z的移動轉動和在x軸上的移動，得到近似其實際運動的模擬。

四、分析結果

不難發現，在四種工況下，應力云圖沒有明顯的差距，較大應力基本都集中在擺臂橫向長度最短處，也是最容易發生斷裂處;不同的是應力集中區域有差異，最大應力：垂直滿載最大應力6783.3MPa，最大減速度制動最大應力為14290MPa，最大側向加速度轉向最大應力為4247.8MPa， 凹凸路面最大應力為4547MPa，由此得到最大應力為14290MPa，發生在凹凸路面。應變云圖上，擺臂的伸出部分作為主要運動項最易發生變形，尤其是與其他構件的鉸接處。垂直滿載最大應變18.168，最大減速度制動最大應變為11.095，最大側向加速度轉向最大應變為10.38， 凹凸路面最大應變為10.531，最大應變發生在垂直滿載工況下。

五、擺臂結構優化驗證及驗證

對擺臂進行有限元分析后我們可以發現斷裂帶的主要原因在于結構的區域性剛強度不足，需要對部分區域進行加強。結合圖表我們可以得到擺臂最薄弱處即為橫向距離最短處[4]，為了不影響擺臂原先的輕量化目的，在該處進行了加強筋的設計（焊接連接），分散過剩應力[5]，材料的性質不變。加強筋的重量占整體擺臂的重量較小，故對擺臂輕量化設計的初衷沒有太大的影響。按照相同的網格劃分對其進行有限元分析（圖2）。不難發現，結構優化以后，在凹凸路面的工況下加載力發現，應力更加分散，最大應力也相應降到4322.5MPa，斷裂處也發生了明顯的轉移，可判定擺臂的安全性有所提高，結構強度有了顯著的加強。

六、結束語

對擺臂進行有限元分析，雖然本文詳細了所經歷的四種工況，但與車輛實際行駛所經歷的狀態相比忽略了一些無直接影響的因素，未曾考慮空氣阻力的對抗，沒有給出突發情況的考慮分析。同時本文只是在分析上給出了改善方案，還缺少試驗的驗證，可能還有隱藏的問題，付諸實際還需要進行專門的實驗。不過通過結構改進及強化后，擺臂孔一側的應力有所下降，應力不再過分集中，可初步判定擺臂結構安全性有所提高。

參考文獻：

[1]黃維平，楊永春，陳常龍.結構有限元分析基礎及ANSYS應用[M].北京：中國鐵道出版社，2017.

[2]胡建軍，何東偉，等.某汽車懸架擺臂有限元分析及疲勞試驗驗證[J].機電一體化，2018（1）：52-54.

[3]彭光旭，趙樹恩.雙橫臂式獨立懸架下擺臂的輕量化設計[J].廈門理工學院學報，2017，25（1）：38-43

[4]樂天聰.某轎車懸架控制臂有限元分析和結構優化[D].長春：吉林大學，2009： 13-19.

[5]練森標某客車前懸架運動性能及擺臂結構優化[D].南昌：南昌大學，2014：21-27.