前轴焊合件有限元模型的建立和强度分析
前轴焊合件有限元模型的建立
前轴焊合件三维模型采用 UG 软件建立,以stp 格式导入 hypermesh中,修复其几何数据；
抽取中面；简化模型的几何细节，忽略对分析结果影响很小的几何特征；改善几何模型的拓
扑关系，已获得高质量的网格，划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，且要求考虑的
问题较多，需要做的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度与计算规模会产生直接影响。
由于前轴焊合件是用不同厚度的热轧钢板冲压焊接而成，考虑采用二维面单元进行离散，考
虑网格计算的成本，网格大小为 5mm,网格划分后需要对网格的质量进行检查[2]，对于焊接一般采用以下三种方式进行模拟:刚性单元、刚性单元+实体单元（acm）、面单元。在这里用刚性单元模拟点焊，用面单元模拟二保焊，得到前轴焊合件的有限元模型如图 1 所示，前轴焊合件材料属性为：中弹性模量 2.06X105MPa,泊松比 0.3，密度 7.8X103kg/m3将生成的 inp 文件导入 abaqus。
图 1 前轴焊合件的有限元模型
前轴焊合件载荷的提取与强度分析
汽车行驶过程中前轴焊合件承受的载荷较多，就其载荷形式而言，前轴焊合件主要受到的载荷有弯曲载荷、扭转载荷、侧向载荷和纵向载荷等情形。其中弯曲载荷主要是由车身、车载设备、乘客及货物等质量在重力作用下产生的；扭转载荷产生于路面不平度对车身造成的非对称支承，作为对比计算；侧向载荷主要是由汽车转向时的离心力作用而产生的；纵向载荷则是由于汽车在加速、制动时的惯性力的作用而产生的。汽车在进行实车实验时，汽车定型试验规程规定：样车必须以一定车速在各种道路上行使一定里程。行驶时会出现匀速直线行驶通过不平路面，紧急制动及急速转弯等工况。在本文的研究中，针对上述三种工况通过路试实验修正过的理论公式计算出轮胎接地点的载荷，借助软件 adams/car 建立悬架多体动力学模型，通过静力学分析得到前轴焊合件连接点处的载荷，如表 1。
表 1 前轴焊合件极限工况下各铰接点载荷
注意 1-向前紧急制动工况,2-单侧过深坑工况,L-左侧,R-右侧
单侧过深坑工况应力云图 2
向前紧急制动工况应力云图 3
根据图 2-3 强度分析结果，前轴结构件最大应力分布在支架搭建地方，最大应力为 330MPa，小于材料 QST380 屈服极限 380MPa，满足强度要求
前轴焊合件自由模态分析
汽车行驶时，作用在汽车各部件上的载荷都是动载荷，即它是随时间变化的函数。因此，结构上的相应位移、应力和应变不仅随其在结构中的空间位置变化，同时也随时间而变化。
若所受动载荷的频率与结构的某些固有频率接近时，结构将产生强烈的振动，从而引起很高的动应力，造成早期疲劳破坏或产生不允许的大变形。为了在汽车使用中避免共振、降低噪声、确保安全可靠，需要知道结构振动的固有频率及其相应的振型，因此需要对前轴焊合件进行模态分析，通过模态分析可以获得前轴焊合件的固有频率和振型，可以帮助前轴焊合件设计人员在开发前期定量了解前轴焊合件的动态特性，发现结构设计中的不足之处，为前轴焊合件的结构设计提供理论指导，同时也可以为下游相关产品设计人员在设计产品时要避开这些前轴焊合件的固有模态，为结构的设计提供理论依据。
一般来讲低阶模态对结构的破坏较强，因此运用 abaqus 中求解模态的 lanczos 方法对
前轴焊合件除刚体模态外的前 4 阶固有振型进行分析,固有频率,各振型描述如表。
汽车在行驶过程中主要受到来自路面和发动机等方面的激励，路面凹凸不平产生的激振频率一般在 1~20Hz, 发动机产生的激振频率 f=zw/20n,(z 为发动机缸数，n 为发动机冲程数，w 为发动机转速)，该发动机是四缸四冲程发动机，怠速转速是 800r/min,最高转速为5000r/min，由上式可以计算可知，该发动机激振频率为 27~167Hz，由此可见，该前轴焊合件 1 阶频率为 216Hz，远高于路面和发动机的激振频率，故前轴焊合件不会发生共振的问题，说明前轴焊合件的动态特性满足使用要求。
结论
通过前期设计开发阶段的有限元分析可以快速对前轴焊合件的结构强度与动态特性进行评判，可以早期预测前轴焊合件结构上存在的问题，为产品结构的更改提供理论依据。
资料来源：达索官方
