汽车刹车机构设计中蠕变性能分析 - 文章

汽车刹车机构设计中蠕变性能分析

作者：上海格兰海芬汽车零部件有限公司宋洁

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摘要：在汽车零部件设计中，由于成本低廉，重量轻，许多铁件被塑料件代替。有些塑料其性能会随时间和温度变化很大。材料在长时间静载荷作用下，表现为一定的伸展性或形变，而且随时间变化，我们称之为蠕变。在汽车刹车机构设计中，有限元分析技术已证明是非常有用的. 为了确保产品的质量，在设计初期，我们使用了ANSYS强大的材料非线性的功能，对关键部件进行了蠕变性能的分析, 因此我们可以提供给顾客最好的产品。本文报告了如何使用ANSYS分析尼龙件考虑了蠕变的变形。

1 介绍

我们是设计和生产汽车零配件的公司，在全球范围内为通用，福特，克莱斯乐，尼桑，等汽车配套刹车踏板机构，油门踏板机构，可调式电子油门踏板机构等。在激烈的市场竞争中，我们需要降低产品成本，提高产品质量，缩短产品的开发周期。

同步工程的实践显然具有优点，增加了设计的可行性，提高了生产效率，降低了成本。有限元这个工具应该有效地运用在设计开发前期。根据客户要求对产品进行虚拟的试验。非分析导向的设计师应该使用该工具。没有有限元分析，许多零部件的性能，只有在制造出实物模型后才能进行实验验证。问题也只有在这个时期才能发现，设计师才能重新设计，这就加长了产品开发周期。通用的办法是通过设计以便考虑未知因素，因此导致亚优产品，不是最优产品。

有限元分析是我们在设计和研发中必备的工具。对每个新产品，我们都利用有限元分析的技术，在新产品模具制造前，就进行模拟试验过程，对产品进行评判和改进，这样就可以大大减少模具费用，缩短开发周期，降低成本。

在众多的有限元分析软件中，ANSYS享有很好的声誉。特别是ANSYS的非线性功能是最完善和强大的。因此我们选用了ANSYS。

2 挑战

刹车踏板机构中hysteria 是一个槊料件，材料为尼龙66加50%的玻纤。考虑其工作环境，刹车踏板机构必须能在摄氏90度高温下正常工作。而在这样的高温下，材料蠕变给零件带来的变形应该考虑。蠕变的变形有多大？这在设计初期就必须考虑。然而如果通过实际试验来得到其变形大小是不实际的，例如零件在10000小时的变形有多大？只有1年以后才知道。零件在100000小时的变形有多大？只有11年以后才知道。这对产品的设计是不实际的。我们必须在开模具之前，了解变形的大小。

3 解决方案

解决的方案就是运用ANSYS 进行有限元蠕变变形的分析计算。

ANSYS具有许多非线性材料模型，材料蠕变计算方法有隐式和显式两种。隐式方法更快速，准确，适用大变形。

Hysteria 件是尼龙66 加50%玻纤,有限元模型和受力及边界条件见图1。常温下弹性模量为12.5GPa, 泊松比为 0.35。图2是摄氏23度，不同应力下蠕变模量与时间的曲线。图3是摄氏120度，不同应力下蠕变模量与时间的曲线。根据我们已有的数据以及要求，我们采用隐式 modified Time Hardening 公式。分别得到在二个不同温度下的二个蠕变方程。ANSYS 提供了曲线拟合的功能。方程的系数是通过曲线拟合得到的。

图1 受力及边界条件

图2 23C蠕变模量与时间的曲线

图3 120C蠕变模量与时间的曲线。

在23C, C1 = 4.339E06, C2 = 1.1664, C3 = -0.9689, C4 = 0.
在120C, C1 = 1.5629E06, C2 = 1.3171, C3 = -0.9474, C4 = 0.

模型单元为solid187，该分析是静态单件，材料非线性。计算在戴尔670工作站进行，计算时间约为10分钟。图4是温度在23C，10000小时位移等高线图。图5是温度在120C，1000小时位移等高线图。常温下（23），10000小时最大变形是0.45毫米，在120C，1000小时的最大变形是0.47毫米. ANSYS还可以提供变形的时间历程曲线。这样我们可以方便快捷的得到我们感兴趣的时间变形状态。

图4 23C/10000h 位移等高线图

图5 120C/1000h 位移等高线图

4 效益

ANSYS的非线性材料蠕变模型帮助我们预测零件在不同温度下的蠕变，使我们能在产品的设计初期考虑到10年以后的变形，这样就极大的提高了我们产品的质量，缩短了设计周期。

在众多有限元软件中，ANSYS的非线性功能是最强的。它可以很好的模拟实际生活中的非线性问题，因此对设计和生产有指导意义，减少成本，加快产品开发周期。

[参考文献]
1) Kenneth G. Budinski, Michadl K. Budinsk, Engineering Materials, Prentice Hall 2001, Upper Saddle River, New Jersey, Columbus, Ohio
2) ANSYS Structural Analysis Guide, Release 8.0, 2003, ANSYS, Inc. Canonsburg, PA(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/14/2007)


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