基于Solidworks 輕型貨車前橋有限元仿真分析

鄭永杰，閆小軍，王振興，高宇晗

（河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

前橋通過懸掛系統(tǒng)與車架相連，兩端安裝車輪，用以在車架與車輪之間傳遞各種作用力及其力矩，并利用轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使兩轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角按一定關(guān)系變化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向，因其兼具承載和轉(zhuǎn)向作用，所以它是汽車的主要安全部件之一[1]。因此前橋在極限工況下的受力分析成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。

王曼[2]利用CATIA 軟件對(duì)某型號(hào)汽車驅(qū)動(dòng)橋建模，并對(duì)其進(jìn)行模態(tài)和諧響應(yīng)分析，得到了驅(qū)動(dòng)橋在路面激勵(lì)時(shí)各零部件的振動(dòng)頻率；朱文艷[3]等人利用Pro/E 對(duì)某型號(hào)乘用汽車驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行建模，通過對(duì)其在不同工況下的靜力學(xué)分析，得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D；王宏[4]等人利用CATIA 對(duì)某型號(hào)驅(qū)動(dòng)橋殼建模，得到其在不同工況下的受力情況。

上述文章中，研究的都是驅(qū)動(dòng)橋殼在不同工況下的受力分析。本文主要針對(duì)由轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷、橫梁等構(gòu)成的輕型貨車前橋進(jìn)行研究。主要內(nèi)容有：前橋的結(jié)構(gòu)型式選擇、前橋各主要零件在制動(dòng)、側(cè)滑、不平路面等工況下的受力情況。計(jì)算并確認(rèn)前橋各部件的基本尺寸，利用Solidworks 軟件對(duì)車橋的前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了建模及靜力學(xué)分析。

一、三維模型建立

整車參數(shù)如表1：

分形維數(shù)與基質(zhì)孔隙度及孔容的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)均在0.90以上(圖3)，分形維數(shù)與基質(zhì)孔隙度表現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系，而與孔容表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的關(guān)系，說(shuō)明基質(zhì)孔隙度與孔容是灰?guī)r儲(chǔ)層的分形維數(shù)的重要影響因素，基質(zhì)孔隙度越大，微米孔的孔容越小，分形維數(shù)值就越接近于3。但是分形維數(shù)與孔比表面積相關(guān)性較差，這是由于5個(gè)灰?guī)r樣中納米孔貢獻(xiàn)的總孔比表面積均為90 %左右，剩余約9 %由亞微米孔貢獻(xiàn)，而微米孔在總孔比表面積中貢獻(xiàn)不到1%。

表1 整車參數(shù)

主要結(jié)構(gòu)型式如表2：

2017年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議都柏林研討會(huì)報(bào)道:體驗(yàn)未來(lái)的電力系統(tǒng)//閆麗霞,劉東,陳冠宏,徐曉春,王建春//(11):1

表2 結(jié)構(gòu)形式

在此基礎(chǔ)上，利用Solidworks 軟件對(duì)汽車橋梁進(jìn)行了三維空間網(wǎng)格分割、物料分配、約束及外力的計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算。圖5 和圖6 為前橋的應(yīng)力云圖和變形云圖。

圖1 前橋總裝三維圖

二、有限元模型建立

B 為汽車前輪輪距（mm）;

圖2 前橋網(wǎng)格劃分模型圖

圖3 左轉(zhuǎn)向節(jié)網(wǎng)格劃分模型

三、靜力學(xué)分析

應(yīng)用有限元非線性有限元方法，計(jì)算了主銷與節(jié)框、主銷與橋殼之間的空隙，并對(duì)其在緊急制動(dòng)條件下的最大橫向作用力進(jìn)行了計(jì)算。在制動(dòng)工況下前梁受力情況如圖4 所示。

圖4 緊急制動(dòng)受力分析圖

1.制動(dòng)工況下計(jì)算結(jié)果

考慮到在緊急剎車時(shí)，車輛的重心會(huì)偏向前橋，因此，前輪受到的地面垂直力的計(jì)算公式如下：

此時(shí)Y1LY1R兩者均產(chǎn)生向右的作用力。

在公式中：φ為輪胎與路面的附著系數(shù)，這里取0.6；帶入數(shù)據(jù)：

前輪所承受的制動(dòng)力：

這里分析市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)e、購(gòu)電商風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避度λ、批發(fā)價(jià)格w、零售價(jià)格p、購(gòu)電商成本cr對(duì)購(gòu)電商最優(yōu)購(gòu)電量q*的影響。

將數(shù)據(jù)帶入公式：

在中央軍委裝備發(fā)展部指導(dǎo)下，各軍種裝備部、戰(zhàn)區(qū)聯(lián)指、聯(lián)勤保障部門等裝備保障力量相互溝通，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、論證、建設(shè)一體化聯(lián)合裝備保障機(jī)制。以搭建全方位、統(tǒng)分結(jié)合的體系架構(gòu)為目標(biāo)，使裝備保障的運(yùn)行機(jī)制能夠上下貫通相關(guān)業(yè)務(wù)，左右聯(lián)通各單位行動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)裝備保障運(yùn)行流程簡(jiǎn)捷高效，使各級(jí)裝備部門既能在平時(shí)穩(wěn)定組織訓(xùn)練、建設(shè)，又能在戰(zhàn)時(shí)及時(shí)有效地指揮裝備保障行動(dòng)。

本文前梁采用工字形斷面，可以在減重的同時(shí)大大提高前梁的材料力學(xué)性能，在直角拐點(diǎn)處采用圓形倒角又可以大大減少應(yīng)力集中對(duì)前梁的危害，增加其壽命與耐久性。轉(zhuǎn)向節(jié)與前梁聯(lián)接所用主銷要求具有極高的抗彎與抗扭強(qiáng)度，以保證車輛在極端惡劣工況下的車輛行駛安全。轉(zhuǎn)向節(jié)作為最主要的部件，為了確保車輛的良好行駛性能，降低輪胎磨損、轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)彎阻力等，應(yīng)盡可能地將所有的轉(zhuǎn)向輪都保持在完全的滾動(dòng)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)整車轉(zhuǎn)向是前橋的一項(xiàng)重要功能，而轉(zhuǎn)向橫拉桿是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中重要的安全件，前橋橫拉桿采用無(wú)縫鋼管與球接頭總成用螺紋連接以便于調(diào)整前橋前束，汽車前橋三維模型如圖1。

圖5 制動(dòng)工況下前軸應(yīng)力云圖

圖6 制動(dòng)工況下前軸變形云圖

2.2.2 大學(xué)生職業(yè)希望自我問卷 采用由牛媛媛[18]編制的《大學(xué)生職業(yè)可能自我問卷》中的大學(xué)生職業(yè)希望自我分量表，該量表共14個(gè)項(xiàng)目，將職業(yè)希望自我劃分為個(gè)人發(fā)展、創(chuàng)造力、自主性、能力運(yùn)用四個(gè)維度，并采用7點(diǎn)計(jì)分方法，衡量題項(xiàng)描述與被試情況的符合程度，1表示“完全不符合”，7表示“完全符合”。該量表在大學(xué)生中已經(jīng)得到應(yīng)用，其內(nèi)部一致性系數(shù)為0.8745[18]。本研究中，該問卷的Cronbach’s α的系數(shù)為0.83。

對(duì)車橋在車輛緊急制動(dòng)工況下的強(qiáng)度進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果顯示：前軸最大應(yīng)力值為32.73 MPa，作用點(diǎn)為前橋梁拳部下方，前橋應(yīng)力的許用值為σW=241 MPa；[τ]=200 MPa。經(jīng)計(jì)算校核，在制動(dòng)工況下，符合強(qiáng)度要求。

生育期病蟲發(fā)生種類達(dá)到14個(gè)，占全縣農(nóng)作物病蟲害種類的40%左右。全生育期病蟲發(fā)生總面積達(dá)到22.8-26.7萬(wàn)hm2次，是水稻種植面積的4.9-5.7倍，發(fā)生面積最大的依次是紋枯病、稻瘟病、稻縱卷葉螟、稻飛虱、螟蟲等。

圖7 和圖8 為制動(dòng)工況下轉(zhuǎn)向節(jié)的應(yīng)力云圖和變形云圖。

圖7 制動(dòng)工況下轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

圖8 制動(dòng)工況下轉(zhuǎn)向節(jié)變形云圖

由上圖可知，轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力值為48.86 MPa，危險(xiǎn)斷面在軸徑為d1的輪軸根部，許用彎曲應(yīng)力為[σ]=320 MPa，符合參數(shù)要求的強(qiáng)度要求。

2.在側(cè)滑工況下計(jì)算結(jié)果

最大橫向力是指車輛在滿載狀態(tài)下，車輪相對(duì)于地面橫向移動(dòng)的極限狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下，車輛的重心會(huì)受到較大的離心力，引起車輛與地面的摩擦，車輛的側(cè)傾，從而使車輛的前橋受到巨大的沖擊，使車輛發(fā)生碰撞，引起交通事故。前橋的側(cè)滑是：汽車受到的側(cè)向力大于或等于（輪胎與地面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大摩擦力），在側(cè)滑時(shí)達(dá)到臨界狀態(tài)，而在汽車到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí)，其橫向作用力與離心力F 的離心力相等。并且是最大值：

汽車行駛過程中必須要平穩(wěn)，不能發(fā)生橫向翻車我們必須使V滑＜V翻，將公式代入，有：

當(dāng)車輛出現(xiàn)側(cè)滑時(shí)，在沒有軸向作用力的情況下，前梁只承擔(dān)了彎矩而不產(chǎn)生扭矩。當(dāng)前輪在地面上受到的反作用力Z1L、Z1R以及在此時(shí)的前輪的地面反力N 是不同的。這個(gè)時(shí)候的前輪的地面反力（N）分別為

式中，G1為汽車的前橋軸荷（N）;

如圖2，將三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化利用Solidworks 軟件仿真模擬模塊對(duì)其建立有限元模型，前軸材料為34CrNiMo。如圖3 為轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型，其材料使用34CrNiMo 來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)制造。

hg為汽車質(zhì)心高度（mm）;

φ1為側(cè)滑附著系數(shù)，這里我們?nèi)ˇ?=0.8。

目前，智慧宮已翻譯出版、版權(quán)輸出中阿文圖書910余種，涉及中國(guó)政治、文化、經(jīng)濟(jì)、人物傳記等諸多種類。據(jù)智慧宮總經(jīng)理張時(shí)榮介紹，2017年，智慧宮在圖書出版、影視發(fā)行、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)主營(yíng)業(yè)務(wù)2100萬(wàn)元。近幾年，業(yè)務(wù)量一直保持在100%至200%的增長(zhǎng)，未來(lái)將在影視、動(dòng)漫、在線翻譯等領(lǐng)域與“一帶一路”沿線國(guó)家深化合作，以文化交流推動(dòng)中國(guó)與“一帶一路”沿線國(guó)家之間的合作。

在上面的公式中：G1——滿載工況前橋靜載荷，單位為N；m1——制動(dòng)工況前橋質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。輕型載貨汽車的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)可取1.4-1.7。此處取1.6。質(zhì)量分配給前橋35%。

在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用Solidworks 軟件對(duì)橫向滑動(dòng)梁進(jìn)行了三維橫向滑動(dòng)模型的網(wǎng)格劃分，分配不同的材料，并對(duì)其進(jìn)行了一定的力約束和控制，并對(duì)各個(gè)車輛橋梁的橫向滑動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。圖9 和圖10分別為前橋側(cè)滑工況下的應(yīng)力分布圖和位移圖。

培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維是數(shù)學(xué)教育的重要目標(biāo)之一，但學(xué)校數(shù)學(xué)教學(xué)中，數(shù)學(xué)表達(dá)的統(tǒng)一性、簡(jiǎn)潔性，數(shù)學(xué)題解法和答案的唯一性，往往又制約著學(xué)生“創(chuàng)新思維”的形成。對(duì)“探索”過程的經(jīng)歷，能夠激發(fā)學(xué)生正向的學(xué)習(xí)情感，能夠培養(yǎng)學(xué)生的積極數(shù)學(xué)精神，已經(jīng)是大家的共識(shí)。課堂上，教師也注意到了要讓學(xué)生經(jīng)歷“探索”的過程，但由于課堂時(shí)間、教學(xué)任務(wù)和教學(xué)內(nèi)容所限，課堂上的探究往往成了“走過場(chǎng)”式的假探究。是否可以適當(dāng)?shù)貙⒔虒W(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成實(shí)驗(yàn)課，真正讓學(xué)生經(jīng)歷“探索”答案的過程，以增加學(xué)生與“創(chuàng)造性思維”相關(guān)的隱性知識(shí)呢？

圖9 側(cè)滑工況下前軸應(yīng)力云圖

圖10 側(cè)滑工況下前軸變形云圖

由上圖可知：在側(cè)滑工況下對(duì)車橋進(jìn)行強(qiáng)度分析，計(jì)算結(jié)果表明：前軸最大應(yīng)力值為21.36MPa，作用點(diǎn)在側(cè)滑方向拳部的主銷孔處，前橋應(yīng)力的許用值為σW=241 MPa；[τ]=200 MPa。經(jīng)計(jì)算校核，在側(cè)滑工況下，符合強(qiáng)度要求。

圖11 和圖12 分別為轉(zhuǎn)向節(jié)在側(cè)滑工況下的應(yīng)力圖和位移圖。由兩圖可知：轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力值為41.88 MPa，危險(xiǎn)斷面在軸徑為d1的輪軸根部，查閱資料[5]可得知許用彎曲應(yīng)力為[σ]=200 MPa，符合參數(shù)要求的強(qiáng)度要求。

圖11 側(cè)滑工況下轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

圖12 側(cè)滑工況下轉(zhuǎn)向節(jié)變形云圖

通過與某車型在不同工況下應(yīng)力應(yīng)變分析可知：

制動(dòng)工況下，某車型前梁最大應(yīng)力值為63.148 MPa，本設(shè)計(jì)車型前梁最大應(yīng)力值為32.73 MPa，提升48.16%；

② 大多數(shù)情況下，規(guī)范推演計(jì)算值比PDA動(dòng)測(cè)檢測(cè)值偏小10%～20%以內(nèi)，未出現(xiàn)高于PDA動(dòng)測(cè)檢測(cè)值情況，認(rèn)為利用本文推演的土塞效應(yīng)系數(shù)對(duì)于計(jì)算以密實(shí)砂層為持力層的開口鋼管樁豎向極限承載力總體上是合理且偏于安全的。

制動(dòng)工況下，某車型轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力值為53.683 MPa，車型轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力值為48.86 MPa，提升8.98%；

側(cè)滑工況下，某車型前梁最大應(yīng)力值為52.192 MPa，車型前梁最大應(yīng)力值為21.36 MPa，提升59.1%；

側(cè)滑工況下，某車型轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力值為54.5 MPa，車型轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力值為41.88 MPa，提升23.16%。