采用 Hyperworks、abaqus 对扭转梁后悬架的强度分析

0 引言

20 世纪 70 年代，在车辆中出现了扭力梁式悬架，至今该种悬架结构仍被广泛应用，特别是应用于前轮驱动的中小型家庭轿车的后悬架系统，其主要包含 4 部分：承受主要垂向和侧向力的矩扭转横梁，焊接在扭转横梁左右两侧的纵向摆臂，在纵向摆臂前端连接车身的弹性元件及支架，弹簧减振器系统[1]。拖曳臂式悬挂既有非独立悬挂存在的缺点，又有独立悬挂的优点。扭力梁式悬架主要优点：

 

(1) 从安装角度来看，车辆中安装整个悬架的空间小，不需要控制臂和杆，只有少量部件需要装配，一体的弹簧减振器或分开的减振器和弹簧容易匹配，容易安装和拆卸。

 

(2) 从悬架匹配角度来看，有一个有利的从车轮中心到弹簧的传动比，只有两个衬套安装点，它们几乎对车轮跳动没有影响。

 

(3) 从运动学角度来看，在侧向力工况下有较低的外倾改变，有较低的侧倾不足转向特性，有较好的纵倾轴线位置，它能降低制动时车尾抬起量。横梁还具有稳定杆的功能。而其主要缺点是：由于控制臂的变形，具有侧向力过度转向倾向；横梁中具有扭转和剪切应力；焊缝中具有较高的应力；允许的后轴载荷受到后轴强度的限制。在运动学上，确定的车轮位置限制了悬架运动学和弹性运动学的变化，瞬时中心位置的确定依赖于轴的运动和扭力梁的刚度，车轮相互影响。另外由路面引起的振动和噪声很难减弱圆。

 

汽车后桥总成作为车辆的一个重要承载部件，传递着车架与路面之间各个方向的作用力，其质量对车辆的安全性和可靠性具有重要影响。因而，本文基于某轿车扭杆梁式后桥的实际结构，采用 Hyperworks、abaqus 对该后桥进行了有限元建模，按照整车在 3 种工况下的受力特征，对该后桥进行强度分析

 

1、扭转梁有限元模型的建立

一个完整的有限元分析包括有限元几何模型的建立、划分网格、定义材料特性、定义边界条件、定义单元的物理属性，然后进行分析运算，最后输出分析结果。

 

1.1、几何模型的建立

在 HyperMesh 软件中，导入 UG 建好的三维实体模型。由于扭力梁是对称部件，且要保证网格左右对称性，只对扭力梁一半进行几何处理，利用 HyperMesh 抽取中位面，对所有的钣金件进行一次性抽取中位面[2]，抽取后要考虑对几何模型进行简化处理和几何清理，以便于划分优质的网格进行分析。Hyperblesh 软件中进行几何清理主要内容包括简化模型的几何细节、几何修复和拓扑改进。通过几何清理除去小孔、错位和不需要的细节，修复模型的错误，压缩两相邻曲面的公共边界，这些措施有利于网格的划分，能够保证网格的正确连接，可获取高质量的网格样式，以提高整个结构网格划分的质量和速度，其计算精度也可以得到提高。

 

在网格划分前，常需要对导入的几何模型进行检查并进行清理[3]，找出几何模型的自由边的分布情况，看有没有缺面、重面、错位、是否有狭窄边，这些缺陷直接影响后面的网格划分质量，甚至会导致有限元模型无法求解或结果失真，为了解决这些问题常需要对缺面进行填补和合并，删除重复的面，对于错位和边界不连续的进行边界合并，改善几何模型的拓扑结构，这些都可以提高网格的划分速度和质量，提高计算的精度，划分网格前的几何清理是划分前不可缺少的工作。

 

1.2 网格划分的几何处理

考虑模型的计算时间，由于扭力梁由冲压散件焊接而成，因此有限元模型采用壳单元对后桥进行网格划分，采用 HyperMesh 中的 2D 面板中的 automesh 工具自动划分二维单元，对于扭杆实体零件，为了保证网格的精度，在这里采用六面体单元进行网格划分。为保证有限元分析计算的精度，对于面单元一定要检查单元的质量，以免质量较差的网格单元影响分析结果精度，更有甚者模型就计算不下去。影响网格 2D 单元网格质量的因素主要是：翘曲度、长宽比、雅克比、扭曲角和四边形最大角、最小角，以及三角形单元所占比例、最大角、最小角，表示单元值中最小值与最大值之比，通常雅克比大于 0．7 时，是可以接受的；翘曲度表示在四边形中，沿对角线分割成的两三角形所在平面的夹角，单元的翘曲在有限元模型中是被允许的，但不能超过一定的界限，翘曲太大会影响网格的精度，此外，其他的一些网格指标也应控制在一定的范围内。

 

1.3 材料属性

分别对扭转梁各部件横梁、纵臂、各加强板、弹簧托盘、制动安装底板附材料属性，材料属性都采用钢材加工，根据钢材的物理特性，其弹性模量 E=2100 0MPa，泊松比为 0．3，材料密度为 7 850 kg／m^3。

 

1.4 连接

扭力梁是冲压散件焊接而成，有限元中对焊缝的模拟一般有三种方式：刚性单元、同节点和 2D 单元进行连接。本文采用 2D 单元，对于弹簧采用弹簧单元(spring)模拟，同时设定弹簧的实际刚度属性值，后桥是通过一个销和衬套与车身连接在一起的，橡胶件在各个方向都有一定的刚度要求，模拟此处采用衬套单元模拟，用刚性单元耦合衬套内钢套，在同一个位置建两个节点来添加衬套单元，缓冲块是起限位缓冲吸振的弹性元件，防止悬架被“击穿”造成的撞击，与弹簧并联成一非线性很强的弹性元件来限制悬架的行程和吸收从车轮传到车身的冲击载荷，通常将其刚度设计成变刚度，用 bushing 单元模拟。

 

 

图 1 扭转梁后桥的有限元模型

 

1.5、边界条件的建立

边界条件确立的主要原则就是消除结构的刚体位移，既不要出现过约束也不要出现欠约束，模拟的边界能够真实反映结构的工作状态，对于扭转梁边界可以确定，约束减振器上端点，弹簧上端点，扭转梁臂端点 6 个方向的自由度。

 

2、极限工况及轮胎力的计算

汽车在行驶过程中可能会遇到多种极限工况[5]，遇到这些工况悬架必须具备足够的强度才能保证汽车正常行驶，本文对扭转梁强度的校核采用以下极限工况：向后紧急制动工况、双侧车轮过凸包工况、极限转向工况，以下具体介绍这几种工况及轮胎力的计算。

 

2.1、向后紧急制动工况

在该工况下，主要是描述汽车在满载状态下向后倒车行驶时悬架受到垂直冲击载荷的作用，在紧急情况，车轮抱死且受到极大的制动力，参考[6]选择动载系数，具体公式如下：

 

 

 

2.1、双侧车轮过凸包工况

在该工况下，主要是描述车辆驶过路面凸块状物体时，车辆悬架受到垂向冲击载荷作用，参考[7]选择动载系数，具体公式如下：

 

 

 

2.3、极限转向工况

汽车在最大侧向加速度转向的作用下，汽车侧倾最严重，车轮受到极大的侧向力和垂向力，参考选择动载系数，具体公式如下：

 

 

 

2.4、各工况轮胎接地力

根据整车厂提供的满载设计参数，采用以上各工况后轮的接地点的受力计算公式，计算各个工况下后轮接地力如表 1

 

表 1 各个工况下后轮接地力

 

 

3、结构强度的校核

将各工况下的轮胎接地力按上述表 2 加载的位置进行加载，通过 abaqus 求解器计算得出扭转梁应力分布情况，将这些应力跟各部件的许用应力进行对比进行强度分析，各工况下扭转梁强度分析如图 2~4 所示

 

 

图 2 极限转向工况

 

 

图 3 双侧车轮过凸包工况

 

 

图 4 向后紧急制动工况

 

3.2、计算结果分析

从以上三种工况下的应力云图分析可以看出，高应力区主要集中在横梁边缘、扭杆两端，在向后紧急制动、双侧车轮过凸包工况下、，最大应力区主要分布在横梁边缘，应力值达到412MP，已经比较接近横梁所用的材料是 QSTE460T 的屈服强度 460MP，但仍处于安全状态，在极限转向工况下，最大应力区也是主要分布在横梁边缘和扭杆两端，横梁边缘达到383MP，没有超过材料的屈服强度，也是安全的，扭杆两端的应力范围处在 350~370MP之间，扭杆采用的材料扭杆所用的材料是 20CrMo，屈服强度为 685MP，远远低于材的屈服强度，从总成整个应力分布来看，扭转梁处于安全状态。

 

4、结论

1、 本文利用有限元软件 hypermesh、abaqus 对扭转梁进行结构强度分析，分别模拟了双侧车轮过凸包工况、向后紧急制动工况，极限转向工况，分析结果表明后桥总成满足结

构强度要求。

 

2、 利用有限元软件分析可以缩短产品的开发时间，降低开发成本，减少实验的次数，保证产品的质量，具有十分重要的意义。

 

3、 本文不足之处没有考虑没有考虑摆臂衬套的影响，所以存在一定的误差，还缺少强度实验的验证。

 

资料来源：达索官方