作者简介：黄卫庄(1981-)，男，博士研究生，教授，现从事电气工程及其自动化以及测控技术与仪器研究工作。
收稿日期：2020-07-15
随着计算机技术的迅猛发展以及信息时代的来临，促使人们以往的工作方式和思维方式发生了巨大的改变，因此对产品的设计分析产生了深远的影响，产品设计分析从传统的经验设计和判断进人现代的设计分析 [1]
。有限元分析就是现代设计分析方法之一，
有限元分析在工程领域应用非常广泛。工程设计中的有一项重要工作是用软件分析零件的强度和刚度，分析零部件在固定作用下产生的应力和应变，因此得出零部件是否满足要求，确保设计的可靠性
[2]
。针对大
多数的工程技术问题，对于物体的几何形状相对复杂或者问题的某些特征是非线性的，人求解将十分繁琐。于是借助于计算机得到满足工程要求的数值解成为当代工程学重要要领之一
[3]
。液体速凝剂
PROE 包涵了产业设计中的制造、装配、加工、仿真和分析等范围。期中仿真和分析功能便捷的实现对产品结构的有限元分析。作为一个集计算机辅助设计、制造和工程分析的三维参数化软件，PROE 的构造(Structures )设计提供了有限元分析功能。在PROE 建模应用中完成零部件三维造型后，就可以进去到结构分析和优化分析。 双横臂悬架是相对复杂的空间机构，根据上、下横臂的长短差异可分为等长和不等长两种。对于不等长双横臂悬架，合理地选择结构参数和恰当地布置，就可以将轮距和车轮定位参数的初始值及其变化限定 在固定范围内，保持良好的行使稳定性，并能使悬架与转向杆系的运动减小干预，不易发生跳摆，因此得到了广泛的应用
[4]
。双横臂独立悬架上摆臂多用于轿
车和轻型客货车的前悬架上，在麦弗逊悬架车来，双横臂独立悬架曾逐渐被麦弗逊悬架所取代，但是进入90年代以来，随着轿车豪华化和性能高化，用该结构的车种不停增长，在一些对平顺性和操作稳定性要求较高的汽车上，不止前悬架，并且后悬架也使用了双横臂悬架，上摆臂的功能性也是汽车悬架系统中的一部分
[5]
。
本文主要讲诉了在PROE 构造分析模块中对某商务车前悬架上摆臂的分析。通过对悬架结构受力的简化，先计算出各种工况下情况，并特别考虑了危险的组合工况。在经过PROE 建模和结构分析模块的处理后，得出了基
于PROE 的有限元分析结果，结合所给材料的力学性能，做出了对悬架上下摆臂及转向节的分析评价和改进方案。最后需要说明的是，一般有限元分析的软件我们常用ANSYS 做分析，而PROE 作为一种汽车设计领域的基本软件，其本身的分析功能常为人所忽视，虽然在专业性方面PROE 不如ANSYS 深入，
某型轿车悬架上摆臂结构设计及其
有限元分析
黄卫庄
(江苏理工学院电气信息工程学院，江苏 常州 213001)
摘要：随着计算机技术的快速发展，有限元分析已成为机械工程设计分析活动中不可缺少的一个重要环节，并成为计算机辅助设计领域的重要拓展方向之一，而有限元分析软件和CAD 软件之间的数据转换问题则成为有限元分析软件发展所亟待解决的问题。具有强大建模功能的PROE 软件所内嵌的结构分析功能则能很好的解决这个问题。本文主要介绍了PROE 结构分析的基本概念和求解思想，并对悬架系统作了简要概述。利用ANSYS 有限元分析软件的求解功能，对轿车上摆臂的强度和刚度进行了结构分析。得到上摆臂在不同载荷作用下的应力分布、变形情况和疲劳工况，并在此基础上对双横臂悬架进行了分析。分析结果为结构设计提供了依据，同时也简化了汽车上摆臂设计过程，提高了设计水平。 关键词：悬架摆臂；有限元分析；应力分布；结构分析中图分类号：TQ332.5
文章编号：1009-797X(2020)20-0030-07
文献标识码：B
DOI:10.13520/jki.rpte.2020.20.005
但由于其以设计功能为基础，在许多情况下十分容易操作，，而ANSYS 因为在设计建模方面的不够，经常在导入其他建模文件时出错甚至不能正常导入，因此我要不断的尝试用PROE 的建模功能完成分析过程，从而提高结构分析的效率和质量。
1 上摆臂的受力分析
要对汽车上摆臂作基于PROE 的有限元结构分析，必定首先对悬架的受力情况进行简化，并通过计算分析出其主要的受力工况，从而在PROE 的结构分析模块中对上摆臂添加合适的载荷和约束。
路面对车轮的垂直力依次通过转向节、上下球头销、上下摆臂传到车身。纵向力、侧向力及其力矩均由转向节及导向机构—上下摆臂及上下球头销来传递
[6]
。上摆臂设计的要求之一即是其零部件应具有足够
的强度和可靠地传递各种力与力矩。上摆臂的基本受力情况有下述三种：
（1）车轮受垂直力作用
如图1，用车轮和转向节为隔离体，假如上下摆臂与水平线夹角分别为φ1，φ2，按照隔离体的平衡条件即可求出作用在转向节和上下摆臂连接点A 、B 两处的作用力。这也是后述作用在有限元模型中的载荷
[7]
。
图1 车轮受垂直力
（2）车轮受侧向力作用
如图2，考虑车轮转向或侧滑时，车轮受侧向力作用。同样拿车轮和转向节为隔离体，可以算出作用在转向节和上下摆臂连接点A 、B 两处的作用力
[8]
。
（3）车轮受纵向力作用
如图3，作用在上下摆臂和转向节球销上的反作用力，与车轮所受纵向力平衡，就能求出A 、B 两处的反作用力。
在进行强度计算时还应考虑垂直力和纵向力，或垂直力和侧向力共同作用的组合工况
[9]
。此外在计算
时要考虑路面对车轮三个方向的反作用力带有动载荷性质，根据三种极限工况下车轮上的动载荷值进行计算，即：
（1）
最大垂直动载荷Z max =G 1k
式中：
k ——动载系数，本文取为2.0； G 1——前轮静载荷。（2）
最大侧向载荷Y max =G 1φ
式中：
φ—
—道路附着系数，本文取为0.5。 （3）
最
大纵向载荷图2 车轮受侧向力
图3
车轮受纵向力
X max =m 1G 1φ
式中：
m 1—汽车制动时的重量分配系数，本文取为1.4；φ=0.7。
多媒体教室讲台上下摆臂加力点为A 、B 两点，C 、D 两点为约束点。而转向节加力点为车轮中心线位置，约束点则为A 、B 两点。根据上下摆臂和转向节的受力分析，利用通用有限元程序，即可进行强度和变形计算。
整体来说悬架是由多个部件组成，上下摆臂与转向节通过上下球头销连接。车辆行驶时悬架作上下运
动，上下摆臂呈压弯组合变形
[10]
。受力分三种状态如
表1。计算按三种组合工况，其中垂向力和纵向力共同作用下为最危险工况。上下摆臂加力点为A 、B 两点，C 、D 两点为约束点。而转向节加力点为车轮中心位置，约束点则为A 、B 两点。
前轮静载荷：G 1=4 950 N ；
漂浮箱最大垂直动载荷：Z max =G 1k =9 900 N ；最大侧向载荷：Y max =G 1φ=2 475 N ；最大纵向载荷：X max =m 1G 1φ=4 851 N 。
表1 不同受力状态下约束反力
受 力 状 态
上下球销约束反力
状态一（垂向力作用）F A =4 319 N ；F Ay =4 289 N ；F AZ =483 N ；F By =4 289 N ；F BZ =9 383 N 状态二（侧向力作用）F A =4 670 N ；F Ay =4 637 N ；F AZ =523 N ；F By =2 162 N ；F BZ =523 N
状态三（纵向力作用）
F A =2 402 N ；F Ay =2 385 N ；F AZ =269 N
上摆臂材料：
根据汽车设计及悬架上摆臂的工作工况，暂选用45#钢，材料密度为7.85×103 kg/m 3。其主要力学性能如下：
弹性模量：E =205 GPa ，泊松比：μ=0.28。屈服极限：
σs =355 MPa ，强度极限：σb =600 MPa 。许用应力：[σ]=233 MPa ，安全系数取1.5(一般值1.3 ~1.6)。
煤矸石烧结砖2 悬架上摆臂建模
悬架直接按原结构形式及尺寸建模，并选用实体单元
[11]
。上摆臂采用壳单元与梁单元组合建模。运
用PROE 进行上摆臂的三维建模，首先绘出上摆臂轮廓草图，接下来进行草图的拉伸操作，对于拉伸出来的三维图形在进行去除中间材料，选择一个侧面为基面进行草图绘制，画出一个圆，接着进行拉伸去除材料，得到了一个孔，然后进行镜面操作，在上摆臂的另一个臂上也得到一个孔。选择当前的三维图形的侧面为基面，进行草图绘制目的是为了去除材料让臂上的轮廓弧度出来。进行拉伸去除材料的操作得到的三维图更加接近上摆臂的模型，接下来在进行抽壳的操作，让臂上的孔的位置壁厚变薄达到规格标准。在上摆臂的尾部进行抽壳的操作，得到四个螺孔，最后对得到的三维图形进行加工修饰得到最后想要的上摆臂三维模型。以下图4~图9展示了绘图过程中几个关
键步骤。
图4 摆臂模型大轮廓
图5
摆臂模型拉伸操作
3 网格划分图
在复杂的部位适当进行模型分割或加销后，运用PROE 强大的网格划分工具对上下摆臂及转向节进行
自动网格划分，均选用十节点四面体单元的网格类型。网格划分过程中需注意的问题会在下面各部件的具体分析步骤中涉及到[12]
。参见下面的图10上摆臂单元
图。
4 悬架上摆臂的有限元具体分析
本文结果多采用程序提供的后处理图形功能绘出
图6 摆臂模型整体轮廓抽壳操作
图7 摆臂模型去孔操作 图8 上摆臂模型图
图9 摆臂三维模型
图10
上摆臂单元图
相关区域的变形图及应力图，尤其是应力等值线图可以清晰的描述应力在整个模型中的变化，可以快速判断模型中的“危险区域”。从图中的彩布局就可以明显看出应力分布的规律。除非作出说明，本文应力结果多以Mises 等效应力形式整理出来。通过有限元计算，可得到各节点与单元的位移和应力值
[13]
。同时
也给出构件的疲劳工况图，按照通用标准选用107次疲劳应力循环，然后根据结果判断其材料是否发生疲劳破坏。热熔胶捏合机
根据悬架运行的各种工况，一般只需考虑最危险
工况进行分析，如其满足材料许用需求就可判定构件合格
[14]
。所以本文中只选用最危险的工况进行加载分
析。
分析过程：
（1）先选择PROE 的建模功能，对上摆臂主销孔处加销，便于添加边界约束条件
（2）进入PROE 的结构分析环境，建立新方案并在结构分析求解器中选择P.E 结构分析求解器
（3）由于PROE 材料库中没有需要的材料，所
以使用记事本编辑器对PROE 的材料库文件phys_material.dat 进行编辑，添加需要的材料及属性。
（4）对下摆臂进行模型分割，并添加约束条件和载荷分布。其中载荷按照前面的力学分析结果加载，约束采用固定约束，即限制所有方向的自由度。
（5）选择前面定义的金属材料并根据下摆臂的结构划分网格，选用十节点四面天单元。
（6）输入载荷变量参数，选择全周期，循环数为107次。
（7）先选择适应性分析，适应性分析成功后再对结果进行校正，最后运行疲劳及结构分析。
4.1 对上摆臂的分析过程
但由于上摆臂属于薄壳结构，其网格划分较为复杂，先按照经验恰当选用起始单元尺寸划分网格，运行第一次适应性分析后PROE 会自动再次进行适应性分析，同时进行网格修缮和优化，可以使应力百分比错误小于参考值。下面为两次适应性分析的分析信息：
（1）适应性—初始解决方案应力百分比错误：[11.453116]。参考百分比错误：[10.000000]。（2）适应性—反复(1)应力百分比错误：[7.165311]。参考百分比错误：[10.000000]。
4.2 上摆臂的分析及计算结果
在垂向力和纵向力共同作用下(为最危险工况)，上摆臂矢量位移、应力分布及疲劳分析结果见图11~17
。
图11 上摆臂加载图
从图中的彩分布可以看出，上摆臂的位移分布和下摆臂同样不匀称。合成位移值较小，过渡较为自然，与实际受力情况相符。
背胶橡皮布图12 上摆臂位移图（X 向）
图13 上摆臂位移图（Y 向）
图14 上摆臂位移图（Z 向）
应力分布与下摆臂相比更为不均匀，集中区比较明显，其应力值可达292 MPa 。同样考虑许用应
力[σ]=233 MPa ，安全系数为1.5，由条件屈服极限σs =355 MPa ，最大应力值在允许的范围内，满足许用应力要求，上摆臂受力也处于安全范围。综合分析上摆臂所受应力适中，部件尺寸满足设计需求，较为合理。不过从PROE 中动画效果图上可以看出上摆臂的
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