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(jù)搖臂相鄰部件系統(tǒng)配合關(guān)系確定分析邊界，利用Pro/E建立搖臂三維模型，導(dǎo)入HyperWorks軟件中添加約束和載荷，利用有限元分析得到搖臂應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn)搖臂與輪系配合部位有應(yīng)力集中現(xiàn)象，如果直接生產(chǎn)制造會有安全風(fēng)險。依據(jù)分析結(jié)果對搖臂進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對改進后的模型再次進行分析，平衡肘最大應(yīng)力從752MPa降至516MPa，與輪系配合部位應(yīng)力降至432MPa，滿足設(shè)計需求。利用軟件分析工具指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，提前發(fā)現(xiàn)并解決應(yīng)力集中問題，降低新產(chǎn)品研發(fā)風(fēng)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(guān)鍵詞：特種車輛;搖臂;應(yīng)力;應(yīng)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(shè)計提出更高的要求，懸掛的減振性能影響車輛的舒適性，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定可靠影響車輛的安全性。本文結(jié)合某新型特種越野車輛研發(fā)項目，在設(shè)計過程中用Pro/E軟件對搖臂結(jié)構(gòu)進行三維建模，用HyperWorks軟件開展有限元分析，利用分析結(jié)果提前發(fā)現(xiàn)搖臂結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域并進行改進，降低新產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險。

1? 有限元模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計和三維建模

搖臂是行走輪系與車架連接的關(guān)鍵部件，其一端與車架鉸接，另一端與行走輪系連接，實現(xiàn)行走輪系、車架、搖臂三者之間可以相對轉(zhuǎn)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(yīng)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(jié)構(gòu)鋼焊接而成，有鉸接配合的孔或軸采用與其尺寸相近規(guī)格的管材，經(jīng)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(dǎo)入分析軟件前刪掉不影響結(jié)果的倒角、坡口、螺栓安裝孔等特征，提高網(wǎng)格劃分和分析的效率，處理完成后模型導(dǎo)入到HyperWorks軟件中，按相鄰部件的配合關(guān)系和結(jié)構(gòu)特點劃分網(wǎng)格，網(wǎng)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(chǎn)品研發(fā)時假設(shè)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(jù)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(guān)系，經(jīng)測算懸掛負載約為500kg。根據(jù)制動器能產(chǎn)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(tǒng)，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(huán)境和試驗數(shù)據(jù)，設(shè)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(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

利用軟件對搖臂模型進行靜力學(xué)分析計算，得到的搖臂應(yīng)力云圖如圖3所示。

由應(yīng)力云圖可以看出，搖臂結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域應(yīng)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(yīng)力云圖中最大應(yīng)力752MPa，雖小于材料屈服應(yīng)力785MPa，但安全系數(shù)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(yīng)力集中現(xiàn)象，該區(qū)域為焊接熱影響區(qū)，現(xiàn)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(qū)域材料受焊接熱量影響晶體組織會發(fā)生改變，性能會有一定程度的退化現(xiàn)象，影響承載能力。如果直接生產(chǎn)制造會有輪系安裝軸斷裂的安全風(fēng)險。

3.2 應(yīng)變分析

搖臂應(yīng)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(nèi)，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(cè)面證明分析結(jié)果可以采信。

3.3 改進后應(yīng)力分析

針對搖臂與輪系配合部位有應(yīng)力集中現(xiàn)象，調(diào)整軸肩結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行改進。原結(jié)構(gòu)采用兩種規(guī)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(qū)，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(guī)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(diào)整軸肩結(jié)構(gòu)及相鄰部位的尺寸，進一步優(yōu)化安全系數(shù)較高區(qū)域的結(jié)構(gòu)尺寸。優(yōu)化完成后搖臂重量基本不變。

修改后的模型再次導(dǎo)入到HyperWorks軟件中進行分析，結(jié)果如圖5所示。搖臂最大應(yīng)力降至516MPa，在橢圓減重孔的位置，安全系數(shù)為1.52，搖臂大部分區(qū)域應(yīng)力在300MPa左右，有兩倍以上的安全系數(shù)，與輪系配合部位應(yīng)力降至432MPa，應(yīng)力集中問題得到妥善解決，整體應(yīng)力分布情況有了較大改善，滿足新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計要求，后期可根據(jù)樣機試驗和使用情況對搖臂結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化改進。

4? 結(jié)語

本文以某型特種車輛搖臂為研究對象，根據(jù)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(dǎo)入HyperWorks中進行有限元分析得到搖臂應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn)搖臂結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域應(yīng)力為100MPa以下，與材料屈服強度785MPa相比有較大富余，最大應(yīng)力在輪系安裝軸與搖臂總體連接的軸肩附近，最大應(yīng)力752MPa，安全系數(shù)較低，而且位于焊接熱影響區(qū)。依據(jù)應(yīng)力云圖對搖臂進行結(jié)構(gòu)改進，調(diào)整應(yīng)力集中區(qū)域的結(jié)構(gòu)和尺寸，優(yōu)化安全系數(shù)較高區(qū)域的結(jié)構(gòu)尺寸。對改進后模型再次進行分析，最大應(yīng)力從752MPa降至516MPa，安全系數(shù)為1.52，輪系安裝軸軸肩部位應(yīng)力降至432MPa，搖臂大部分區(qū)域應(yīng)力提高至300MPa左右，滿足設(shè)計需求。

本文利用軟件分析工具指導(dǎo)新產(chǎn)品設(shè)計，提前發(fā)現(xiàn)并解決結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的局部應(yīng)力集中、焊接熱影響區(qū)安全系數(shù)較低以及大部分區(qū)域承載能力有較大富余量的典型問題，降低新產(chǎn)品研發(fā)風(fēng)險，為其他關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析驗證提供參考。

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