某車型球面銷總成結(jié)構(gòu)仿真分析方法

于東娜，田 崇，鄂世國(guó)

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

前言

球面銷總成結(jié)構(gòu)作為可靠性較高[1]的車用連接件，其主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠提高連接強(qiáng)度，在保證高徑向、低旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)剛度的同時(shí)，具有較高的壽命，進(jìn)而更好地提升整車操控性能。在理論研究結(jié)構(gòu)有限元分析[2]方面，于大國(guó)[3]對(duì)球面銷摩擦機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)研究；楊卓培[4]總結(jié)了在階梯載荷下剛?cè)崆蛎娼佑|副關(guān)節(jié)軸承的磨損機(jī)理及疲勞壽命；在實(shí)際設(shè)計(jì)加工制造試驗(yàn)方面，Hao Bin 等[5]在球面銷殼體尺寸對(duì)球頭性能的影響做了詳細(xì)的研究，提出了采用鋁制球頭或鋁制殼體可以實(shí)現(xiàn)增加擠壓強(qiáng)度和扭矩。孫凱[6]對(duì)重型汽車的推力桿球面銷總成端蓋提出了改進(jìn)及實(shí)施；雷亮[7]設(shè)計(jì)了I 型推力桿球面銷裝配工裝。目前，對(duì)校核、驗(yàn)證球面銷總成結(jié)構(gòu)的仿真分析方法暫無(wú)研究總結(jié)，那么，很有必要總結(jié)出一套針對(duì)球面銷總成結(jié)構(gòu)的仿真分析方法。

為保證球面銷總成結(jié)構(gòu)具有足夠的機(jī)械安全性能，本文主要考察的仿真測(cè)試項(xiàng)目有球面銷軸向壓潰強(qiáng)度、殼體軸向壓潰強(qiáng)度、球面銷總成靜強(qiáng)度以及球面銷總成疲勞。基于摩擦接觸理論，材料非線性處理方法進(jìn)行研究，總結(jié)出一套仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試對(duì)標(biāo)驗(yàn)證的體系流程。

1 研究對(duì)象

以乘用車某車型后轉(zhuǎn)向節(jié)與安裝臂之間的球面銷總成作為研究對(duì)象，3D 數(shù)據(jù)模型如圖1 所示（圖1（a）為后轉(zhuǎn)向節(jié)總成示意，圖1（b）為球面銷總成局部放大示意）。球面銷的典型斷面如圖2 所示（圖2（a）為球面銷總成3D 數(shù)據(jù)斷面示意，圖2（b）為球面銷總成2D 數(shù)據(jù)斷面示意）。

圖1 3D 數(shù)據(jù)模型

圖2 球面銷的典型斷面

球面銷總成材料信息如表1 所示，其中兩端橡膠密封套不作考慮。

表1 球面銷總成材料信息表

考察驗(yàn)證項(xiàng)目?jī)?nèi)容信息匯總?cè)绫? 所示。

表2 球面銷驗(yàn)證項(xiàng)目?jī)?nèi)容信息表

試驗(yàn)測(cè)試示意如圖3 所示。考察驗(yàn)證項(xiàng)目評(píng)價(jià)體系信息匯總?cè)绫? 所示。

圖3 試驗(yàn)測(cè)試示意圖

表3 球面銷驗(yàn)證項(xiàng)目評(píng)價(jià)體系信息表

其中，上述球面銷總成疲勞分析中，不考慮擺動(dòng)及旋轉(zhuǎn)角度的影響以及試驗(yàn)環(huán)境溫度的影響，試驗(yàn)測(cè)試是以（Block1+Block2+Block3）×3 作為一個(gè)完整循環(huán)，未出現(xiàn)失效時(shí)繼續(xù)以Block2 中等載荷輸入進(jìn)行疲勞破壞試驗(yàn)。

2 有限元建模與分析

2.1 前期建模

有限元建模基于Hypermesh 軟件，調(diào)用Abaqus 求解器編輯環(huán)境，將CATIA 格式的三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入。由于結(jié)構(gòu)具有圓周旋轉(zhuǎn)特征，故采用截面四邊形單元?jiǎng)澐趾螅褂胠ine drag命令，生成規(guī)整的六面體網(wǎng)格模型。加載及約束位置需要?jiǎng)?chuàng)建RBE2 剛性單元。

壓潰強(qiáng)度分析中，導(dǎo)入材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)進(jìn)行材料非線性計(jì)算。球面銷總成靜強(qiáng)度及疲勞分析中，需要在殼體外側(cè)創(chuàng)建實(shí)體模型來(lái)代替轉(zhuǎn)向節(jié)局部結(jié)構(gòu)，設(shè)置摩擦系數(shù)定義接觸關(guān)系，利用接觸非線性來(lái)求解計(jì)算。

后處理軟件采用Hyperview 及FEMFAT 疲勞分析軟件。

所需材料的力學(xué)性能信息如表4 所示。

表4 材料力學(xué)性能信息表

由于篇幅有限，故將球面銷有限元仿真分析項(xiàng)目按照項(xiàng)目1～4 序號(hào)編輯，邊界條件如表5 所示。

表5 分析項(xiàng)目邊界條件信息表

其中項(xiàng)目3 中的5 個(gè)重要典型工況載荷如表6 所示，載荷單位為N。

表6 分析項(xiàng)目3 載荷信息表

其中項(xiàng)目4 中的3 個(gè)Block 工況載荷如表7 所示，載荷單位為N。

表7 分析項(xiàng)目4 載荷信息表

根據(jù)上述相關(guān)說(shuō)明，進(jìn)行有限元前處理工作，設(shè)置材料參數(shù)，邊界條件加載示意如圖4 所示。

圖4 邊界條件加載示意圖

2.2 仿真結(jié)果

驗(yàn)證項(xiàng)目1 仿真結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。球面銷選用高強(qiáng)鋼40Cr 材料，強(qiáng)度滿足的前提下，最大永久變形量滿足目標(biāo)要求。變形云圖如圖5 所示。

表8 項(xiàng)目1 仿真結(jié)果匯總表

圖5 位移云圖

驗(yàn)證項(xiàng)目2 仿真結(jié)果匯總?cè)绫? 所示，使用載荷超過(guò)屈服點(diǎn)，達(dá)到抗拉強(qiáng)度點(diǎn)，進(jìn)入非線性段，持續(xù)加載的分析方法。其力和位移關(guān)系曲線如圖6 所示，從圖中可以看出，在達(dá)到360 MPa 材料屈服點(diǎn)，已進(jìn)入材料非線性，壓潰極限位移量為2.162 mm，其對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力云圖如圖7 所示。

圖7 非線性加載后的應(yīng)力云圖

表9 項(xiàng)目2 仿真結(jié)果匯總表

圖6 力和位移關(guān)系曲線

驗(yàn)證項(xiàng)目3 仿真結(jié)果匯總?cè)绫?0 所示。球面銷總成在重點(diǎn)考察的五個(gè)工況進(jìn)行線性強(qiáng)度計(jì)算，各分體金屬件最大應(yīng)力均滿足各自材料的屈服強(qiáng)度，云圖結(jié)果不予列出。

表10 項(xiàng)目3 仿真結(jié)果匯總表

驗(yàn)證項(xiàng)目4 仿真結(jié)果匯總?cè)绫?1 所示。球面銷總成疲勞耐久滿足目標(biāo)要求，云圖結(jié)果不予列出。

表11 項(xiàng)目4 仿真結(jié)果匯總表

按照試驗(yàn)測(cè)試迭代累加，該球銷總成疲勞壽命趨于無(wú)限壽命，疲勞破壞尚未有限元分析。

3 結(jié)論

根據(jù)球面銷總成結(jié)構(gòu)臺(tái)架試驗(yàn)項(xiàng)目，總結(jié)出了較為完整的有限元仿真分析流程，結(jié)果表明該研究對(duì)象是能滿足各項(xiàng)考察指標(biāo)的。

后續(xù)需要將其與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)對(duì)標(biāo)工作，更好地形成工程分析流程閉環(huán)系統(tǒng)。

由于底盤結(jié)構(gòu)件裝配總成中，存在很多類似這些球頭、球面銷之類的連接件，要針對(duì)每個(gè)件的運(yùn)動(dòng)受力特點(diǎn)形成各自的分析標(biāo)準(zhǔn)，解決實(shí)際問(wèn)題，對(duì)底盤動(dòng)態(tài)特性、安全性能等都是至關(guān)重要的。