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HyperWorks在自卸车前轴设计中的应用 |
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作者：高银峰 徐友良 屈磊 |
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本文介绍使用HyperWorks软件，针对某自卸车前轴主销断裂失效现象进行有限元分析确定问题的本质，由于超载导致该自卸车前轴主销已无法满足目前使用，遂进行新产品立项以彻底解决该严重失效问题并拓宽产品梯度。在新产品设计过程中通过使用HyperMesh建立完整的前轴有限元模型，使用RADIOSS（BulkData）模块完成了对该模型的非线性准静态分析，其分析结果为产品设计提供了参考依据，从而为汽车前轴零部件强度校核提供了一种有效方法。
1 概述
针对2008～2011年某自卸车前轴主销发生断裂失效约716次，严重影响整车产品质量和声誉，为找出主销断裂失效的本质，进行了失效件材质分析发现不属于材质本身问题，于是根据产品原设计和整车实际使用工况设定额载6.5t和9t两种情况进行有限元分析，分析结果表明原设计额载6.5t情况下该产品能满足使用要求，但目前自卸车使用工况普遍为额载7t～9t，且路况较差，所以根据超载情况主销断裂失效成为必然结果，其失效部位与有限元分析结果一致。
根据分析结果与失效部位的一致性认为该有限元模型的建立和分析方法是切实有效的，于是在立项开发的新产品9.5t前轴设计过程中，建立了更为完善的有限元模型进行前轴各零部件的强度分析，为新产品设计提供了参考依据且缩短产品开发周期提高了产品设计质量。
此次分析采用HyperMesh进行前处理，RADIOSS（BulkData）模块作为求解器，HyperView进行结果后处理，说明HyperWorks软件平台是一款便捷有效的工程分析工具。
2 主销断裂失效问题分析
2.1 主销分析模型的建立
该自卸车主销分析模型主要包括工字梁、主销、转向节、气室支架、上下衬套、推力轴承、转向梯形臂等。在有限元建模过程中考虑了装配关系如螺栓连接、接触及摩擦作用，模型包括1432699 TETRA4单元及8个接触对等，其有限元模型如图1所示：
2.2 分析工况的确定
根据STR前轴原设计为额载6.5t和自卸车在实际使用过程中用户甚至完全将其充当为额载9t的情况来看，进行6.5t和9t的对比分析。根据主销断裂失效模式认为其主要是承受坑冲击载荷和紧急制动载荷，故主要分析这两种工况。坑冲击载荷工况动载荷系数取3.0，紧急制动工况汽车向前轴质量转移系数取1.7，轮胎与路面的附着系数取0.8。
坑冲击工况和紧急制动工况有限元边界条件如图2所示：
2.3 计算结果及结论
坑冲击工况和紧急制动工况主销VonMises应力分布如图3、图4所示：
通过以上分析结果可以看出在额载6.5t情况该主销可以满足设计要求，当额载达到9t情况该主销在紧急制动工况时应力高于材料屈服强度885MPa，且高应力区域位置与主销断裂失效的位置一致，因此认为该主销是在已超出设计使用范围的情况下，紧急制动工况承受过高的剪应力最终导致疲劳断裂失效。主销断裂失效情况如图5所示：
3 新产品9.5t前轴有限元分析
3.1 前轴分析模型的建立
该前轴分析模型包括工字梁、主销、转向节、上下衬套、推力轴承、转向节臂和转向梯形臂。在有限元建模过程中考虑了装配关系如螺栓连接、接触及摩擦作用以及转向横拉杆的连接，模型包括691997 TETRA4单元、7 beam单元及10个接触对等，其有限元模型如图6所示：
前轴各零部件材料及参数如表1所示。
3.2 分析工况的确定
此次分析校核工字梁、主销、转向节强度设定以下4个subcase：
subcase1，台架试验工况，在轮距处约束，板簧座处按额定载荷4倍加载；
subcase2，坑冲击工况，在板簧处约束，轮距处加载地面垂向支反力，动载荷系数取3.5；
subcase3，紧急制动工况，在板簧处约束，轮距处加载地面支反力及纵向力，汽车向前轴质量转移系数取1.7，轮胎与路面的附着系数取0.8；
subcase4，向左侧滑极限工况（侧翻），在板簧处约束，左侧车轮轮距处加载地面支反力及侧向力，轮胎与路面的侧向附着系数取1.0；
转向节臂强度校核设定以下1个subcase：
subcase5，向左转向工况，板簧处约束，车轮轮距处加载地面垂向支反力，转向节臂安装转向直拉杆锥孔处加载纵向力；
转向梯形臂强度校核设定以下1个subcase：
subcase6，静态原地转向阻力矩是汽车使用中最大极限转向所需的力矩，故校核转向梯形臂以静态原地转向时的阻力矩作为计算载荷，转换成横拉杆承受的轴向力，在转向梯形臂安装横拉杆锥孔处加载；
3.3 计算结果及结论
工字梁各工况VonMises应力分布如图7所示，主销各工况VonMises应力分布如图8所示，转向节各工况VonMises应力分布如图9所示，转向节臂和转向梯形臂危险工况VonMises应力分布如图10所示：
由以上各工况各零部件VonMises应力云图可认为该9.5t前轴可以满足设计要求，其中工字梁和转向节臂在初次设计完成时分析结果应力值偏高，经过进一步的局部改进加强得到满意的结果，并很好的控制了零部件的重量。
4 结语
前轴总成是汽车行驶系的主要承载件，也是自卸车的重要安保件，其各零部件的强度校核主要是依据《汽车车桥设计》中从动桥的设计计算一章进行强度校核，然后样件台架试验及整车路试。在设计过程中仅靠传统的计算公式进行强度校核比较片面，产品设计质量无法得到有力保障。通过有限元分析可以更具体全面的反应各零部件在不同工况下的应力分布，把大量的后期依赖试验验证保障产品设计质量的工作转移到前期设计过程中，在设计过程中通过分析及时发现产品的薄弱区域并有针对性的改进加强以使其满足设计要求。当然最终还是以样件台架试验和装车路试为准，但是在产品开发过程中设计质量得到了提高，有效缩短开发周期。
由此可见，Altair HyperWorks 软件集前后处理与求解器一体化，功能全面，操作便捷，在汽车零部件的开发设计过程中发挥极大的作用，它的应用可减少产品开发过程中的试验费用并加速产品研发进程。
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(10/19/2013) |
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