基于ABAQUS的汽車前軸臺架試驗仿真模型優化

曹 凱，林瑋靜，孔 卓

（中國重汽集團汽車研究總院，山東 濟南 250101）

引言

汽車前軸臺架試驗是檢測前軸產品質量是否達標的重要方法。在產品設計階段，有限元仿真技術已成汽車前軸結構設計及可靠性驗證的重要手段。孔振海等[1]利用 Hypermesh 建立前橋有限元模型進行強度和疲勞分析，驗證前橋的剛度及疲勞壽命滿足設計要求；馮美波[2]利用ANSYS/Workbench分析前軸主銷孔處運用ANSYS的變形量與前軸最大轉角的關系，最終確定了前軸的剛度；徐玉萍和方姣[3]運用Hypermesh和Ncode進行前軸仿真與臺架試驗結果分析，對前軸進行結構改進。

作為汽車重要承載件之一，前軸研發是汽車設計中的關鍵技術[4]。現階段前軸研究的側重點在于運用CAE仿真結果對前軸結構進行分析改進，而前軸的有限元模型的搭建并無統一規范，故無法保證仿真結果與臺架試驗的一致性。

1 前軸CAE仿真模型的初步建立

為保證前軸有限元仿真結果與臺架試驗結果的一致性，模擬某重卡前軸在臺架上的實際裝配，去除對仿真結果影響較小的橫拉桿球頭、主銷限位螺釘等零件，并去除對結果影響較小的零件倒角、小孔等特征[4]，完成了CAE模型的創建，見圖1。

圖 1 前軸CAE仿真模型

CAE 模型單元類型采用C3D10M四面體，網格劃分方法為自由劃分網格，產生單元格數量 1 287 350個。推力軸承設置為剛性體，其余零件設置為彈性體。強度試驗加載最小載荷75 kN，最大載荷217.5 kN，載荷通過參考點RP1、RP2施加在兩板簧座上，主銷與轉向節、前軸接觸，推力軸承于轉向節和前軸端面接觸。整個模型的邊界條件設置為約束兩車輪接地點 RP5、RP6 的 X、Z方向移動自由度和Y、Z方向轉動自由度，并釋放 Y方向移動自由度和X方向轉動自由度。零件材料設置見表1，前軸CAE模型實體之間相互作用關系見表 2。

表1 零件材料及參數

表 2 前軸CAE模型實體之間相互作用關系

主銷與轉向節孔之間存在轉向阻尼摩擦，由于摩擦力較小，對前軸仿真結果無影響，因此接觸對屬性設置為無摩擦；主銷與前軸主銷孔之間的接觸關系設置為過盈配合，前軸與推力軸承、推力軸承與轉向節之間為平面-平面接觸對，接觸面設置摩擦參數，以摩擦力約束推力軸承的移動自由度；轉向節與轉向橫拉桿臂之間通過螺栓連接緊固，可采用綁定約束（Tie）代替。

由于轉向橫拉桿球頭內部結構復雜，難以保證CAE模型中接觸關系與實際的一致性，而該結構對前軸仿真結果無影響，因此將球頭簡化為兩個參考點，通過點-面之間運動耦合（Kinematic coupling）的方式替代轉向橫拉桿與橫拉桿臂的接觸關系。

2 臺架試驗前軸CAE模型的合理性驗證

為獲取前軸應力值，在前軸上取7個測點，臺架試驗按照測點布置應變片貼片，見圖2。試驗載荷范圍75～217.5 kN，試驗按照《汽車前軸臺架疲勞壽命試驗方法》（QC/T 513—1999）進行[5]。

圖 2 前軸應變片貼片位置/mm

將前軸CAE模型導入ABAQUS/Standard進行仿真分析，加載載荷與臺架試驗保持一致。以加載217.5 kN時所得前軸的理論結果與試驗結果作為分析對象，前軸應力及位移云圖見圖3。

圖 3 前軸應力云圖

仿真結果與試驗結果見表3，由表3可得：仿真與臺架試驗之間存在一定偏差，測點應力偏差范圍7.48%～14.50%，仿真結果與試驗結果的偏差在15%以內時可認為誤差在合理范圍內，因此，該模型能夠較為精確地還原臺架試驗結果。

表 3 仿真與試驗結果對比

3 前軸CAE模型簡化

為消除網格大小對仿真結果的影響，經反復仿真驗證，將網格種子密度設置為2。在此基礎上進行分析計算。結果顯示：（1）CAE 模型中部件之間存在多種相互作用關系，因此，對網格單元的大小及質量要求較高，仿真計算時需占用大量電腦內存空間，電腦配置過低時甚至無法完成仿真分析；（2）CAE模型中部件之間相互作用關系類型復雜，任何一個作用關系設置不準確都會導致仿真報錯；（3）復雜的相互作用關系導致CAE模型太大，仿真時間過長，增加了不必要的產品設計時間。

結構靜力學分析中，處理含有接觸關系的有限元模型時，其有效手段在于正確設置接觸關系和定義邊界條件[6]。大部分接觸分析不收斂問題，都是由接觸關系的錯誤設置及自由度不合理約束導致。合理接觸關系的設置主要包括正確定義接觸面、接觸屬性及接觸參數等，而合理的邊界條件可以保證模型不會產生過約束及欠約束，從而保證模型不產生大的剛體位移。除此之外，處理模型時經常遇到接觸關系較為復雜的問題，復雜的接觸關系通常會導致仿真結果的不收斂[7-9]，若該裝配關系對仿真目標無影響時，合理的運用耦合約束（coupling constraint）代替復雜的接觸關系，可以有效解決模型不收斂問題，并能夠保證仿真結果的可靠性。

前軸CAE模型進行簡化。模型中各實體之間的相互作用替代關系見表4，所得簡化模型見圖4。

表 4 簡化前后前軸 CAE 模型相互作用關系對比

圖 4 簡化后的前軸臺架試驗CAE模型

在簡化模型中，去掉主銷和推力軸承，從而減少了接觸對數量。將主銷簡化成參考點RP5（RP6），將RP5（RP6）與轉向節上下主銷孔進行Kinematic coupling耦合約束，并限制Y、Z方向的移動自由度和轉動自由度、以此代替主銷與轉向節主銷孔的表面接觸對，見圖5（a）。將RP5（RP6）與前軸主銷孔進行disiribute coupling耦合，限制X、Y、Z三個方向上的所有轉動和移動自由度，以此代替主銷與前軸主銷孔的過盈配合接觸對，見圖5（b）。將推力軸承簡化成參考點RP7（RP8），將RP7（RP8）與前軸拳部下端面、轉向節下端面進行Kinematic coupling耦合，將參考點RP7（RP8）與前軸下端面完全固定，即限制前軸下端面相對于 RP7（RP8）的所有轉動和移動自由度，另一方端限制轉向節端面相對于RP7（RP8）的X方向移動自由度，以此代替推力軸承與轉向節、前軸的面接觸對，見圖5（c）。CAE模型的其他相互作用關系保持不變。

圖 5 簡化后模型各實體之間的相互作用關系

將簡化后的前軸臺架CAE模型導入ABAQUS中進行仿真，并將仿真結果與原 CAE模型的仿真結果進行對比，對比結果見表5。

表 5 前軸CAE模型簡化前后仿真結果對比

對比前軸CAE模型簡化前后的仿真結果，簡化前后的仿真分析結果誤差范圍為0.57%～5.4%，誤差較小。前軸臺架試驗簡化CAE模型的還原度高，且仿真時長較簡化前有明顯縮短。

4 結語

基于ABAQUS對前軸臺架試驗的仿真模型進行了合理簡化，簡化CAE模型有效解決了由于復雜接觸導致的仿真計算收斂困難的問題，縮短仿真計算時間，提高了前軸設計效率，規范了前軸臺架試驗力學仿真模型的建模過程。