小型賽車懸架立柱有限元分析

關(guān)亮亮，王本善，王思朋，韓松朋

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

引言

大學(xué)生方程式賽車大賽是一項(xiàng)全國性的，由汽車類及其相關(guān)專業(yè)高校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車賽事。懸架作為賽車最為關(guān)鍵的一個(gè)系統(tǒng)，決定了整車的速度。一套設(shè)計(jì)良好的懸架系統(tǒng)不僅能夠給駕駛者帶來好的乘坐舒適感，還能夠提高整車的操縱穩(wěn)定性，在比賽中提高賽車的競爭力。在懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非簧載質(zhì)量是影響懸架系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，所以本文將針對輕量化的立柱進(jìn)行變形量和強(qiáng)度的分析，以確保其安全性。

1 理論基礎(chǔ)

有限元法求解是將一個(gè)復(fù)雜的實(shí)體經(jīng)過離散化，形成有限個(gè)細(xì)小的單元，對各個(gè)單元進(jìn)行分析的辦法，是將模型細(xì)化然后進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算的過程。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力眾多，邊界問題，一般都運(yùn)用有限元方法進(jìn)行分析運(yùn)算。這種方法求得的結(jié)果往往是近似解，而至于求解的準(zhǔn)確性則是由網(wǎng)格的質(zhì)量和精度決定。本文中所涉及到的靜力學(xué)有限元分析通常是指在線彈性范圍內(nèi)施加一系列外力，通過力學(xué)模型的簡化將受力復(fù)雜的模型轉(zhuǎn)化成相對簡單的彈性力學(xué)問題來求解的一個(gè)過程。如果想將模型簡化求解，就必須對該力學(xué)模型進(jìn)行以下假設(shè)：物體是完全彈性體假設(shè)；物體連續(xù)性假設(shè)；物體均勻假設(shè)；假定物體是各向同性的；位移、形變微小可忽略不計(jì)的假設(shè)。有了以上理論基礎(chǔ)及靜力學(xué)有限元的假設(shè)，本文中的受力分析便可以順利完成。

2 立柱受力分析

考慮到車輛在靜止?fàn)顟B(tài)和勻速直線狀態(tài)下立柱受到的力并不是最大的，而前后立柱最大受力時(shí)刻分別為緊急制動(dòng)和最大加速時(shí)，所以本文將對前后立柱最大受力情況下進(jìn)行強(qiáng)度分析。首先設(shè)定車輛行駛向前為X 正方向，立柱內(nèi)側(cè)為Y正方向，垂直地面向上為Z 正方向，對前立柱緊急制動(dòng)時(shí)做受力分析，對后立柱做全力加速時(shí)做受力分析。

緊急制動(dòng)時(shí)，前立柱受到車輪垂直向上的支撐力Z=1150N，作用在軸承座上；受到車輪與地面產(chǎn)生的制動(dòng)力，X=-500N，作用在軸承座上；受到上下橫臂傳遞的推力和拉力，Y=2500N 和 Y=-2000N，及轉(zhuǎn)向橫拉桿傳遞的拉力Y=100N，分別作用到連接螺栓上。

全力加速時(shí)，后立柱受到車輪垂直向上的支撐力Z=1050N，作用在軸承座上；受到車輪與地面產(chǎn)生的推動(dòng)力，X=800N，作用在軸承座上；受到上下橫臂傳遞的推力和拉力，Y=-2300N 和Y=1800N，作用到連接螺栓上。

3 靜力學(xué)有限元分析

3.1 幾何模型的建立

由于在ANSYS 中建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜模型相對于在CATIA 中建立模型要麻煩很多，所以本文中所分析之模型是在CATIA軟件下創(chuàng)建，然后對模型進(jìn)行簡化后導(dǎo)入ANSYS。模型導(dǎo)入之后，對模型進(jìn)行了仔細(xì)的查看，通過ANSYS 完成前處理，做好分析準(zhǔn)備。

3.2 單元類型的選取

在ANSYS 中有多種單元類型可供選擇，較為常見而且應(yīng)用于幾何體分析中較廣的為三維實(shí)體單元，所以本文中的前后懸架立柱均采用三維實(shí)體單元。同時(shí)根據(jù)單元的節(jié)點(diǎn)和自由度又可分為多種單元類型，其中四面體和六面體最為常見，如果所分析之實(shí)體是形狀比較規(guī)則的幾何體，那么采用六面體單元進(jìn)行分析結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確，但如果所分析之實(shí)體形狀較為復(fù)雜，采用六面體劃分網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致離散單元數(shù)量增多，分析效果降低，反而會(huì)造成單元質(zhì)量降低、分析結(jié)果誤差大等不良后果，所以本文采用四面體作為單元類型。

3.3 材料屬性的設(shè)置

在選取合適的單元之后則需要確定材料的屬性。現(xiàn)實(shí)中前后立柱的材料均為7075 鍛造鋁合金。其材料屬性為如下：密度為2800kg/m3，彈性模量71GPa，泊松比為0.33，屈服極限為455MPa。

3.4 前后懸架立柱的強(qiáng)度仿真分析

將前后懸架立柱進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖1：

將上文受力分析中的的作用力轉(zhuǎn)化成均布載荷并施加到對應(yīng)的受力點(diǎn)或面，定義邊界條件后進(jìn)行求解。求解之后可通過后處理得到分析數(shù)據(jù)，求解得位移變形圖和應(yīng)力圖如圖 2 和圖3 所示：

圖2 前懸架立柱變形和應(yīng)力圖

圖3 前后懸架立柱變形和應(yīng)力圖

由圖2 所示可知前懸架立柱的最大變形量 0.078574mm，應(yīng)力最大值為 137.6MPa。后懸架立柱的最大變形量 0.1689mm，最大值為 123.99MPa。

4 分析與結(jié)論

通按照本文中受力分析對模型進(jìn)行外力施加，通過ANSYS 下對前后立柱進(jìn)行的靜力學(xué)有限元分析可知，前懸架立柱的最大變形量 0.078574mm，應(yīng)力最大值為137.6MPa，后懸架立柱的最大變形量 0.1689mm，應(yīng)力最大值為 123.99 MPa，二者所受最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服極限455MPa，安全系數(shù)達(dá)到了3.3，完全滿足強(qiáng)度要求，前后立柱的最大變形分別為0.078574mm 和0.1689mm，也在合理范圍內(nèi)，所以可以得出結(jié)論為該輕量化后的前后立柱都滿足變形要求和強(qiáng)度要求。