基于ANSYS的某汽车悬架有限元分析

基于ANSYS的某汽车悬架有限元分析翟培培(西安石油大学机械工程学院,陕西西安710065)摘摇要:采用某麦弗逊悬架参数,建立悬架系统的三维模型。利用ANSYSWorkbench有限元分析软件对悬架进行了三种工况下的静力学分析,得出悬架的强度和刚度特性,并对悬架有限元模型进行了模态分析,将计算得到的悬架固有频率与汽车受到的其他激励频率进行对比,评价该悬架是否具有避开与车辆其他系统产生共振区域的性能,为今后的悬架设计提供了一定的理论基础。关键词:汽车悬架摇有限元分析摇模态分析中图分类号:TH164摇摇摇摇摇文献标识码:A摇摇摇摇摇文章编号:1002-6886(2019)02-0061-04FiniteelementanalysisofavehiclesuspensionbasedonANSYSZHAIPeipeiAbstract:Themodelticanalysisofsus鄄pensionunderthreeworkingconditionswascarriedoutusingANSYSWorkbench,andthestrengthandstiffnesscharacteris鄄alanalysisofthesuspensionmodelwascarriedout,andthecalculatednaturalfre鄄quenciesofthesuspensionwerecomparedwithexcitedfrequenciesofthevehicletojudgewhetherthesuspensionwillpro鄄ds:vehiclesuspension,finiteelementanalysis,modalanalysis0摇引言随着人们生活水平的提升,人们在追求汽车所带来的便利之外,还希望获得最大的乘坐舒适感。汽车悬架系统作为汽车底盘中的重要组成部分之一,不仅起到了支撑车身的功用,且其性能直接决定了乘坐者的乘坐舒适度和汽车行驶的平稳度,当车辆遇到不平路面时,汽车悬架可以将车轮上所受到的力和力矩转移到车身上,进而达到减弱道路对车辆的冲击,缓解承载结构震动的效果,所以,在车辆运行过程中,汽车悬架自身的性能直接决定了汽车能否正常行驶[1-2]。鉴于此,本文主要以某麦弗逊车前悬架系统为原型,利用ANSYSWorkbench有限元分析软件对汽车悬架系统进行分析,为今后的悬架设计提供了一定的理论基础[3]。1.1摇悬架实体模型建立及模型简化本文在建立悬架实体模型时,考虑到选件零件比较复杂,装配比较困难的特征,利用Workbench自带的CAD接口,将模型导入其中。在Solidworks建立了悬架系统的弹簧、减振器、转向节、三角臂、球销等零件并根据悬架真实的工作环境进行了装配,得到实体模型如图1所示。根据模型的简化原则,对悬架作出了如下简化处理:对焊接和螺栓连接部分采用了绑定连接方式,球销与三角臂连接的方式选择Workbench连接关系中的球面副(spherical)。由于本次分析主要关心悬架关键零件的强度问题,因此弹簧和减振器不作为分析的主要对象。根据某麦弗逊悬架参数,建立了所关心强度变化的模型如图2所示。1.2摇模型网格划分及材料定义网格划分是有限元求解过程中非常重要的一部分,良好而优质的网格不仅可以提高分析结果的精·61·1摇悬架有限元模型建立

图1摇悬架三维模型图摇摇摇图2摇悬架简化模型度,同时可以提高分析的速度,减小分析过程出错率[4]状零件采用六面体实体单元。经过综合考虑所要分析的悬架结构,不规则平面采用正四,规则形面体实体单元,对着重考虑的区域进行了细化网格的处理,并对连接处的网格进行了修复,计算了网格的数量。网格划分后的摇图3摇悬架网格划分模型如图3所示。装配体模型导入后,需要定义装配体的各个零件的材料,悬架各个零件所使用的材料性能直接影响悬架整体结构的强度和其他性能。表1摇悬架材料属性表零件材料密度/(kg/mm3转向节45CrMo7.85E-6)弹性模量1.78E11/Pa泊松比0.27球销42CrMo7.85E-62.1E110.28三角臂SAPH4407.85E-62.07E110.32摇不同工况下悬架结构强度分析击;2)1)车辆在刹车过程中车辆在运动时,受到的来自于不平路面的冲,受到的地面的冲击力和车辆本身的惯性力;3)车辆在转弯过程中,受到的来自车身内部与路面的力。分别求出上述工况发生时悬架的受力情况,并利用该力作为施加载荷,对悬架进行有限元分析,得出悬架在不同工况下的强度。2.1摇不平路面工况当车辆行驶在不平路面上时,车轮受到来自地·62·面的垂直载荷而向上跳动,此时的动载系数最大,悬架主要受到垂直于地面向上的力的作用[6]车辆相关参数数据,经过计算可以得到车辆在经过。带入不平路面时所受到的最大垂直载荷为11930N。利用ADAMS/Car模块中的准静力学仿真功能,对悬架各点进行力学分析,得到转向节主轴承座处力大小为11869N。根据上述分析所得的结果,对悬架系统进行有限元分析,对悬架系统的转向节轴颈施加载荷,图4为悬架系统约束和加载情况。图4摇不平路面工况下摇摇摇摇图5摇不平路面工况下摇摇摇约束和加载摇摇摇摇摇摇摇摇摇应力云图悬架在粗糙路面的应力分布云图如图5所示,应力最大值为139.39MPa,该值出现在转向节与减振器连接处以及下球销的轴颈处,其主要原因是由于汽车在通过不平路面时,受到来自于垂直路面方向的力,这使得下球销处受到了较大的垂直载荷作用,在此载荷作用下,三角臂绕球销转动,因此三角臂应力较小。图6摇不平路面工况下摇摇摇摇图7摇制动工况下约束摇摇摇摇位移云图摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇和加载图6是悬架系统在不平路面情况下的变形图,从图中可以看出,最大变形出现在转向节主轴承座处以及球销与三角臂连接处,这是因为三角臂两轴套处以圆柱副固定,汽车通过不平路面受到了垂直于地面的载荷的作用,三角臂绕穿过两轴套处的中心轴转动,因此使得上述两处出现较大的变形量。2.2摇制动工况除了汽车在行驶过程中遇到的不平路面的工

况,制动工况也是不可避免的。这种工况较上一种工况略微复杂,因为车轮轮毅安装在轴承上,所以汽车在制动工况下转向节的中心受力处不会受到扭矩作用,汽车在刹车过程中只受到来自地面的垂直载6681荷Z忆max,经过计算可得车轮的垂直载荷Z忆max为到ADAMSN,制动载荷/Car模块中进行准静力学仿真X忆max为5345N。将所得数据输入,得到的转向节主轴承座处受力为5965N。在制动工况下对悬架系统进行有限元分析Z忆max为6620N,X忆max为时如图7所示。悬架在制动工况下的应力分布云图如图8所示,该工况下最大应力值291.05MPa,应力主要集中在转向节与减振器连接处的下螺栓孔处和球销轴颈处,及球销处。悬架在制动工况下的变形图如图9所示,最大变形发生在转向节与制动盘连接螺栓孔的下方以及转向节与球销连接处,与实际情况相符。图8摇制动工况下应力摇摇图9摇制动工况下位移云图摇摇摇分布云图2.3摇转向工况转向工况相对复杂,既要保持车身转弯时的平衡性能及各零件的正常运行,又要达到合理的转弯目的。因此使得汽车不仅受到来自于地面的力,还受到转弯过程引起的各种力,当汽车转弯时,受到指向转弯中心的向心力,该向心力是由静摩擦力充当的。经计算得,垂直载荷为4772N,最大横向载荷为3818N。将该数据代入到ADAMS/Car模块中进行准静力学仿真,可以求出关键点在仿真过程中的受力情况N,Y义,求得转向节轴承座处载荷Z义max为4712max为3787N。根据悬架实际工作情况,在对其进行转向工况下有限元分析时,其应力云图如图10所示。251.由图10看出在转向工况下,最大应力值为座止口处以及转向节与减振器连接臂下端1MPa,出现最大应力的位置为转向节主轴承,这是由于在转向工况下,悬架主要承受来自于横向的力,该横向力在悬架纵向平面内形成力矩。图10摇转向工况下应力摇摇图11摇转向工况下位移云图摇摇摇分布云图转向工况下的变形图如图11所示,最大变形发生在转向节与横拉杆连接处以及转向节与球销连接处,因为在该种工况下,转向节节臂由于横向力的作用而受到较大力矩。3摇悬架模态分析3.1摇模态分析的目的汽车在运动过程中,悬架承受着来自于地面的冲击载荷以及车身内部其他零件相互作用的载荷,大多数的载荷是动载荷,使悬架受到了冲击作用和振动作用。模态分析是动力学分析的基础,模态分析不仅可以确定悬架结构的固有频率,防止共振的产生,而且还能确定悬架在各类动载作用下的振动特性和振动规律[7-8]3.2摇模态分析及结论。在模态分析中,结构的动力影响主要来自低阶振型,因此,结构的动态特性主要通过低阶振型判定,本文选取低阶模态进行计算求解。选取悬架整体、转向节、三角臂分别进行前6阶的模态计算。在模态分析中,固定方式为约束转向节和减振器接触处的6个自由度,在三角臂与副车架相连的两个位置选择圆柱副固定,即释放切向旋转自由度,固定其他所有自由度。网格划分如同前1.2节所述,规则形状零件采用六面体实体单元,不规则平面采用正四面体实体单元,关键部位合理细化。经过分析求解悬架前6节固有频率如表2。为了更加直观的观察到模态的变化规律,方便与模态振型云图对比,绘制了前6阶固有频率可以绘制模态分布图,以横坐标为阶数,纵坐标为频率,如图12。·63·

表2摇悬架前6阶模态表阶摇1数频率2271./3443.99Hz4515.645630.236700.32742.3333图12摇模态分布图不同阶数的模态都对应着不同的振型,通过观察振型可以到悬架整体最大位移处,即最容易破坏的位置。列出1~6阶振型云图如图13-18所示。图13摇悬架1阶模态振型云图摇图14摇悬架2阶模态振型云图图15摇悬架3阶模态振型云图摇图16摇悬架4阶模态振型云图图17摇悬架5阶模态振型云图摇图18摇悬架6阶模态振型云图通过模态振型云图可以看出各阶频率下悬架容易发生的共振的位置,高频阶段振动主要发生在三角臂处,低频阶段振动主要发生在转向节节臂,悬架的固有频率在271.99Hz至742.33Hz变化,将该·64·频率与车辆在行驶过程中受到的来自于路面、发动机及其他因素引起的激励的频率进行对比,其中,高100速公路和较好路面激励在5Hz以下,发动机激振在下[9]Hz生共振,因此该悬架可以避免汽车在行驶中与汽车产以下,其他条件的激励也维持在100Hz以,设计较为合理。4摇结论本文对悬架系统在不平路面工况、制动工况以及转向工况下,分别分析了静力学特性,得出了悬架在三种工况下的应力和位移云图,结合实际分析了悬架的强度和刚度特性。同时还对悬架系统进行了模态分析,得出了前6阶的固有频率,通过与汽车受到的其他激励频率相比,确定了该悬架系统不会与汽车发生共振现象。参考文献[1]摇梁新成,黄志刚,朱亭.汽车悬架的发展现状和展望[J].北京工商大学学报,2006,24(2):30-33.[2]摇黄李丽.某型汽车悬架系统性能分析与研究[D].南宁:广西大学,2008.[3]摇BROOKC,ndequipmentusedin[4]摇eryGuardianopencast许京荆.ANSYS,mining2013Workbench13.,89and(11associated):ties[J].Colli鄄0数值模拟技术[M].北京:中国水利水电出版社,2012.[5]摇张卫华,翟婉明.第十七届国际车辆系统动力学会议简介[J].国外铁道车辆,2002,39(1):6-9.[6]摇张红旗,曹文刚,徐涛,等.基于ANSYS的客车转向节的有限元分析[J].CAD/CAM与制造业信息化,2002(9):25-27.[7]摇袁旦.汽车转向节有限元分析与优化设计[D].杭州:浙江工业大学,2010.[8]摇ALBERTPC,CHANNM,DANIELWM,鄄viewmanagementoftheapplicationresearch[ofJ]ltechniquesinconstruction[9]摇neeringand郭洪艳,陈虹Management,赵海艳,等,.2013汽车行驶状态参数估计研究进,66(of12):鄄展与展望[J].控制理论与应用,2013,30(6):661-672.作者简介:翟培培(1989-),女,陕西兴平人,硕士研究生,研究方向:机械工程。收稿日期:2018-11-26