基于HyperWorks的特種車輛搖臂有限元分析

史富增 楊增杰 趙德華

摘要：以某型特種車輛搖臂為研究對象，根據搖臂相鄰部件系統配合關系確定分析邊界，利用Pro/E建立搖臂三維模型，導入HyperWorks軟件中添加約束和載荷，利用有限元分析得到搖臂應力、應變結果。分析發現搖臂與輪系配合部位有應力集中現象，如果直接生產制造會有安全風險。依據分析結果對搖臂進行結構優化，對改進后的模型再次進行分析，平衡肘最大應力從752MPa降至516MPa，與輪系配合部位應力降至432MPa，滿足設計需求。利用軟件分析工具指導產品設計，提前發現并解決應力集中問題，降低新產品研發風險。

Abstract： Taking a certain type of special vehicle rocker arm as the research object， the analysis boundary is determined according to the coordinated relationship between the adjacent components of the rocker arm， the 3D model of the rocker arm is established by Pro/E， and the constraints and loads are added to the HyperWorks software， and obtained by finite element analysis Rocker arm stress and strain results. Analysis found that there is a stress concentration phenomenon in the matching part of the rocker arm and the gear train， and there is a safety risk if it is directly manufactured. Based on the analysis results， the rocker arm was optimized in structure， and the improved model was analyzed again. The maximum stress of the balance elbow was reduced from 752Mpa to 516Mpa， and the stress at the part of the gear train was reduced to 432Mpa， meeting the design requirements. Use software analysis tools to guide product design， find and solve stress concentration problems in advance， and reduce the risk of new product development.

關鍵詞：特種車輛;搖臂;應力;應變

Key words： special vehicle;rocker arm;stress;strain

中圖分類號：U463.32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0051-03

0? 引言

爬坡、越野、越障等能力是越野車輛的重要指標，惡劣多變的路況對整車設計提出更高的要求，懸掛的減振性能影響車輛的舒適性，關鍵結構件的穩定可靠影響車輛的安全性。本文結合某新型特種越野車輛研發項目，在設計過程中用Pro/E軟件對搖臂結構進行三維建模，用HyperWorks軟件開展有限元分析，利用分析結果提前發現搖臂結構薄弱區域并進行改進，降低新產品開發風險。

1? 有限元模型建立

1.1 結構設計和三維建模

搖臂是行走輪系與車架連接的關鍵部件，其一端與車架鉸接，另一端與行走輪系連接，實現行走輪系、車架、搖臂三者之間可以相對轉動，避免輪系與車架直接連接，降低地面激勵對車架、乘員等的影響，提高整車對不同路況地面的適應能力。搖臂與其他部件的相對位置如圖1所示。

搖臂主要由輪系安裝軸、懸掛安裝孔、車架連接孔、制動安裝座等組成。搖臂主體采用高強度結構鋼焊接而成，有鉸接配合的孔或軸采用與其尺寸相近規格的管材，經粗加工、焊接及精加工制造而成。采用Pro/E軟件建立搖臂三維模型，如圖2所示。

1.2 分析前處理

完成的搖臂三維模型導入分析軟件前刪掉不影響結果的倒角、坡口、螺栓安裝孔等特征，提高網格劃分和分析的效率，處理完成后模型導入到HyperWorks軟件中，按相鄰部件的配合關系和結構特點劃分網格，網格大小控制在2mm到5mm。

搖臂板材材料為Q800E高強鋼，屈服強度為800MPa，管材采用40Cr，屈服強度為785MPa。楊氏模量為206GPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。

2? 載荷邊界條件建立

載荷以安裝在搖臂上零部件的重量及車輛使用過程中的附加載荷為準。整車有4個輪系，車架及上部總重約為3000kg，產品研發時假設整車重心與幾何中心重合，上裝載荷平均分布進行計算，單個輪系車架載荷為750kg。根據懸掛安裝孔與車架連接孔的距離確定懸掛載荷與整車上裝和行走輪系重量載荷的關系，經測算懸掛負載約為500kg。根據制動器能產生的最大制動力測算制動安裝座的負載約為1000N。輪系安裝軸承載行駛輪系的重量，對輪系安裝軸的載荷測算為600kg。

搖臂直接與行駛輪系鉸接，中間沒有減振系統，車輛行駛時輪胎受到的路面沖擊載荷會傳遞到搖臂上，尤其是車輛不停車跨越障礙或壕溝時沖擊載荷非常大，參考其他相似車輛的使用環境和試驗數據，設定搖臂沖擊載荷為6.5倍的重力加速度。載荷施加情況如表1所示。

3? 計算結果分析

3.1 應力分析

利用軟件對搖臂模型進行靜力學分析計算，得到的搖臂應力云圖如圖3所示。

由應力云圖可以看出，搖臂結構大部分區域應力為100MPa以下，與材料屈服強度785MPa相比，有較大的安全余量。搖臂應力云圖中最大應力752MPa，雖小于材料屈服應力785MPa，但安全系數只有1.04，位置在輪系安裝軸與搖臂總體連接的軸肩附近，有應力集中現象，該區域為焊接熱影響區，現階段高強鋼的焊接工藝已非常成熟，焊縫強度能達到甚至超過母材的強度，但焊縫附近區域材料受焊接熱量影響晶體組織會發生改變，性能會有一定程度的退化現象，影響承載能力。如果直接生產制造會有輪系安裝軸斷裂的安全風險。

3.2 應變分析

搖臂應變云圖如圖4所示，最大變形量約為10mm，在許用變形范圍之內，位置在制動安裝座末端，與搖臂和車架鉸接安裝并可以擺動的實際情況基本吻合，從側面證明分析結果可以采信。

3.3 改進后應力分析

針對搖臂與輪系配合部位有應力集中現象，調整軸肩結構尺寸和零件制造方式，從整車指標、性能、價格等方面綜合考慮，對搖臂結構進行改進。原結構采用兩種規格管材粗加工后焊接再精加工的方式制造，軸肩附近為焊接熱影響區，其承載能力受焊接影響會有一定下降，如果直接增加板厚會增加較多重量才能滿足承載需求，最終確定更換管材規格，采用一種管材進行粗加工，雖然增加了加工量，但徹底解決軸肩附近焊縫的影響，同時調整軸肩結構及相鄰部位的尺寸，進一步優化安全系數較高區域的結構尺寸。優化完成后搖臂重量基本不變。

修改后的模型再次導入到HyperWorks軟件中進行分析，結果如圖5所示。搖臂最大應力降至516MPa，在橢圓減重孔的位置，安全系數為1.52，搖臂大部分區域應力在300MPa左右，有兩倍以上的安全系數，與輪系配合部位應力降至432MPa，應力集中問題得到妥善解決，整體應力分布情況有了較大改善，滿足新產品開發設計要求，后期可根據樣機試驗和使用情況對搖臂結構進一步優化改進。

4? 結語

本文以某型特種車輛搖臂為研究對象，根據車輛使用工況確定分析邊界條件，利用Pro/E建立搖臂三維模型，導入HyperWorks中進行有限元分析得到搖臂應力、應變結果。分析發現搖臂結構大部分區域應力為100MPa以下，與材料屈服強度785MPa相比有較大富余，最大應力在輪系安裝軸與搖臂總體連接的軸肩附近，最大應力752MPa，安全系數較低，而且位于焊接熱影響區。依據應力云圖對搖臂進行結構改進，調整應力集中區域的結構和尺寸，優化安全系數較高區域的結構尺寸。對改進后模型再次進行分析，最大應力從752MPa降至516MPa，安全系數為1.52，輪系安裝軸軸肩部位應力降至432MPa，搖臂大部分區域應力提高至300MPa左右，滿足設計需求。

本文利用軟件分析工具指導新產品設計，提前發現并解決結構設計過程中的局部應力集中、焊接熱影響區安全系數較低以及大部分區域承載能力有較大富余量的典型問題，降低新產品研發風險，為其他關鍵零部件的結構設計及分析驗證提供參考。

參考文獻：

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