后横向拉杆结构的优化设计与分析

作者:张永祥 文章来源:浙江万向系统有限公司 点击数:774 发布时间:2011-09-05

利用CAD技术建立现用结构及改进结构后的横向拉杆三维实体模型,再利用CAE技术在同等约束条件下对两种结构进行有限元分析,计算其应力分布及变形情况。同时,将分析结果直接反馈于对模型的调整及优化设计中,可大大提高设计准确性、结构的可靠性,并缩短开发周期。

随着汽车产业的迅猛发展和生活质量的日益改善,消费者在购买汽车产品时,不再局限于注重汽车本身低廉的价格以及漂亮的外观,更逐步理性地开始关注整车的安全性和舒适性。

某城市型越野车在上市之后,得到众多消费者的青睐,但消费者也对该车型后悬架横向拉杆(以下简称“后横向拉杆”)提出改进要求。消费者认为,对该中档车型来讲,现用后横拉杆采用钢管焊接的结构略显单薄且不够档次,希望汽车厂商对该产品进行优化改进。我们在接到汽车企业委托设计要求后,立项并拟利用CAD/CAE技术对该后横向拉杆进行了优化设计改进及分析,在确保产品使用性能的前提下,极大地满足了用户需求。

CAD是指使用计算机系统进行设计的全过程,包括资料检索、零件造型和工程制图等。CAE是以现代计算力学为基础,以计算机仿真为手段的工程分析技术,是实现产品优化设计的主要支持模块。CAD/CAE技术的灵活运用,可在方案设计阶段快速实现复杂结构的力学性能分析,保证测试结构的安全性和可靠性,缩短设计周期。

设计及分析的实现方法

利用CAD三维软件建立改进前与改进后两种结构后横向拉杆的三维实体模型,通过接口程序进行格式转化后,导入Hyperworks10.0软件中进行有限元建模等前处理工作,并直接采用Hyperworks10.0中的Optistruct模块进行求解和有限元后处理工作。通过施加同等载荷,对两个不同结构和材料的后横向拉杆进行对比分析,获得改进后的后横向拉杆结构是否能满足整车性能要求的相关信息。

在这里值得一提的是,有限元前处理中CAD技术的运用。在机械结构有限元分析前处理中,利用有限元软件的建模功能,虽然可以建立三维实体模型,但需要占用较多的工作量。因此,我们通过CAD软件来实现机械结构的三维实体建模,并且为了便于进行有限元分析时网格的划分,在三维实体建模过程中,可忽略一些细微结构对整体分析的影响。

后横向拉杆三维几何模型的建立

1.现用结构分析及建模

根据汽车厂提供的现用结构后横向拉杆二维图样资料(见图1),我们可以看出,现用结构中,拉杆主体是一材质为20#、直径为φ25.4 mm、壁厚2.9 mm的无缝钢管。钢管一端焊接有套管,其中压装有橡胶衬套;另一端连接球销接头,并通过铆接方式固定其上。这种结构虽然在使用过程中尚未出现断裂等不良事故。但从其结构本身来讲,影响总成强度及使用性能的因素较多,包括钢管自身的强度、套管的焊接强度及球销接头的铆接强度等。同时,该结构常见于低端车型,在中高端车型上较为少见,确实有改进的必要。我们利用CATIA V5 R18软件,建立现用结构后横向拉杆模型(见图2)。

2.改进结构方案及结构分析

根据汽车厂提供的后横向拉杆在整车上的使用情况及产品相关技术要求,我们根据以往经验及类似产品结构,建立了如图3所示的后横向拉杆结构。

从方案模型来看,改进型后横向拉杆在结构方面有如下特点:后横向拉杆总成与外部连接尺寸及硬点参数等保持与现用结构不变,确保了产品的可装配性;拉杆主体将现用结构中的钢管和套管合二为一,用一个QT450-10材质的铸铁件代替。套管与本体合为一体,在提高强度的同时,减少了焊接环节对拉杆整体性能的影响;橡胶衬套仍沿用现用结构中的橡胶衬套,确保了弹性元件的性能;球销接头由现用的铆接形式变更为通过3螺栓紧固的形式,增强了连接强度;球销内部结构与原结构一致,确保了球销的使用性能。

后横向拉杆有限元分析

1.建立横向拉杆有限元模型

通过Hyperworks软件导入转化后的后横向拉杆模型后,采用SOLID单元进行网格划分,然后直接运用Optistruct模块进行求解计算。两个模型采用相同的网格大小、边界条件进行分析。约束和载荷根据整车使用中后横向拉杆实际运行状况,对衬套进行全方位约束,载荷施加在球销的X向,具体载荷大小为3 000 N。现用结构后横向拉杆及改进型后横向拉杆的有限元模型分别如图4、图5所示。

2.计算结果对比

具体分析结果用受力应力分布图表示。图6为总体结构的综合应力分布图,钢管结构最大应力为1 410 MPa,铸件结构最大应力为1 450 MPa。两种结构的最大应力部位都发生在套管与本体连接处,如放大图7所示,钢管结构应力分布均匀,铸件结构有应力集中点,过渡R角可以加大。图8为总体结构的变形分布图。

3.有限元结果分析

结构方面:从分析结果看,钢管结构和铸件结构最大应力发生处一致,都在套管与本体连接过渡处,钢管结构应力分布更为均匀,铸件有应力集中点产生,可将过渡R角加大。

材料方面:根据产品材料性能分析,钢管结构材料为20#,铸件结构材料为QT450-10,两种材料抗拉强度、屈服强度对比如表所示。根据材料的力学性能分析,改进型铸件结构强度优于现用钢管结构强度。

结语

结合某型越野车后横向拉杆具体实例,对CAD/CAE技术在其改进设计及分析过程中的应用进行具体分析:首先,利用CAD技术建立现用结构及改进结构后横向拉杆三维实体模型,再利用CAE技术在同等约束条件下对两种结构进行有限元分析,计算给出两种结构的应力分布及变形情况。根据分析结果,对设计的合理性、可行性及有效性进行判断。在本文实例中,改进结构在分析过程出现应力集中的情况,我们可对改进结构作进一步优化设计,最终达到“改进结构性能不低于现用结构”的设计预期。

其次,灵活运用CAD及CAE技术,可快速获得产品三维模型,并可通过参数化技术对模型进行快速修改;通过CAE分析获得的结果,可直接反馈于对模型的调整及优化设计中,从而形成一条“设计—建模—分析—优化设计”的设计路线,大大提高设计准确性、结构的可靠性,并缩短开发周期。