前軸焊合件有限元模型的建立和強度分析

前軸焊合件有限元模型的建立

前軸焊合件三維模型采用 UG 軟件建立,以stp 格式導入 hypermesh中,修復其幾何數(shù)據(jù)；

抽取中面；簡化模型的幾何細節(jié)，忽略對分析結(jié)果影響很小的幾何特征；改善幾何模型的拓

撲關(guān)系，已獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，且要求考慮的

問題較多，需要做的工作量較大，所劃分的網(wǎng)格形式對計算精度與計算規(guī)模會產(chǎn)生直接影響。

由于前軸焊合件是用不同厚度的熱軋鋼板沖壓焊接而成，考慮采用二維面單元進行離散，考

慮網(wǎng)格計算的成本，網(wǎng)格大小為 5mm,網(wǎng)格劃分后需要對網(wǎng)格的質(zhì)量進行檢查[2]，對于焊接一般采用以下三種方式進行模擬:剛性單元、剛性單元+實體單元（acm）、面單元。在這里用剛性單元模擬點焊，用面單元模擬二保焊，得到前軸焊合件的有限元模型如圖 1 所示，前軸焊合件材料屬性為：中彈性模量 2.06X105MPa,泊松比 0.3，密度 7.8X103kg/m3將生成的 inp 文件導入 abaqus。

圖 1 前軸焊合件的有限元模型

前軸焊合件載荷的提取與強度分析

汽車行駛過程中前軸焊合件承受的載荷較多，就其載荷形式而言，前軸焊合件主要受到的載荷有彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、側(cè)向載荷和縱向載荷等情形。其中彎曲載荷主要是由車身、車載設(shè)備、乘客及貨物等質(zhì)量在重力作用下產(chǎn)生的；扭轉(zhuǎn)載荷產(chǎn)生于路面不平度對車身造成的非對稱支承，作為對比計算；側(cè)向載荷主要是由汽車轉(zhuǎn)向時的離心力作用而產(chǎn)生的；縱向載荷則是由于汽車在加速、制動時的慣性力的作用而產(chǎn)生的。汽車在進行實車實驗時，汽車定型試驗規(guī)程規(guī)定：樣車必須以一定車速在各種道路上行使一定里程。行駛時會出現(xiàn)勻速直線行駛通過不平路面，緊急制動及急速轉(zhuǎn)彎等工況。在本文的研究中，針對上述三種工況通過路試實驗修正過的理論公式計算出輪胎接地點的載荷，借助軟件 adams/car 建立懸架多體動力學模型，通過靜力學分析得到前軸焊合件連接點處的載荷，如表 1。

表 1 前軸焊合件極限工況下各鉸接點載荷

注意 1-向前緊急制動工況,2-單側(cè)過深坑工況,L-左側(cè),R-右側(cè)

單側(cè)過深坑工況應力云圖 2

向前緊急制動工況應力云圖 3

根據(jù)圖 2-3 強度分析結(jié)果，前軸結(jié)構(gòu)件最大應力分布在支架搭建地方，最大應力為 330MPa，小于材料 QST380 屈服極限 380MPa，滿足強度要求

前軸焊合件自由模態(tài)分析

汽車行駛時，作用在汽車各部件上的載荷都是動載荷，即它是隨時間變化的函數(shù)。因此，結(jié)構(gòu)上的相應位移、應力和應變不僅隨其在結(jié)構(gòu)中的空間位置變化，同時也隨時間而變化。

若所受動載荷的頻率與結(jié)構(gòu)的某些固有頻率接近時，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生強烈的振動，從而引起很高的動應力，造成早期疲勞破壞或產(chǎn)生不允許的大變形。為了在汽車使用中避免共振、降低噪聲、確保安全可靠，需要知道結(jié)構(gòu)振動的固有頻率及其相應的振型，因此需要對前軸焊合件進行模態(tài)分析，通過模態(tài)分析可以獲得前軸焊合件的固有頻率和振型，可以幫助前軸焊合件設(shè)計人員在開發(fā)前期定量了解前軸焊合件的動態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不足之處，為前軸焊合件的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導，同時也可以為下游相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計人員在設(shè)計產(chǎn)品時要避開這些前軸焊合件的固有模態(tài)，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

一般來講低階模態(tài)對結(jié)構(gòu)的破壞較強，因此運用 abaqus 中求解模態(tài)的 lanczos 方法對

前軸焊合件除剛體模態(tài)外的前 4 階固有振型進行分析,固有頻率,各振型描述如表。

汽車在行駛過程中主要受到來自路面和發(fā)動機等方面的激勵，路面凹凸不平產(chǎn)生的激振頻率一般在 1~20Hz, 發(fā)動機產(chǎn)生的激振頻率 f=zw/20n,(z 為發(fā)動機缸數(shù)，n 為發(fā)動機沖程數(shù)，w 為發(fā)動機轉(zhuǎn)速)，該發(fā)動機是四缸四沖程發(fā)動機，怠速轉(zhuǎn)速是 800r/min,最高轉(zhuǎn)速為5000r/min，由上式可以計算可知，該發(fā)動機激振頻率為 27~167Hz，由此可見，該前軸焊合件 1 階頻率為 216Hz，遠高于路面和發(fā)動機的激振頻率，故前軸焊合件不會發(fā)生共振的問題，說明前軸焊合件的動態(tài)特性滿足使用要求。

結(jié)論

通過前期設(shè)計開發(fā)階段的有限元分析可以快速對前軸焊合件的結(jié)構(gòu)強度與動態(tài)特性進行評判，可以早期預測前軸焊合件結(jié)構(gòu)上存在的問題，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的更改提供理論依據(jù)。

資料來源：達索官方