汽车驾驶室前悬置翻转支座有限元分析与优化.pdf

262023,61(8总第7 0 8 期机械制造研究发汽车驾驶室前悬置翻转支座有限元分析与优化吕志成郎凤磊黄宇山东美晨工业集团有限公司山东诸城262200摘要：针对汽车驾驶室前悬置翻转支座在试验场出现的断裂失效问题，以复合工况受力为理论基础，应用ABAQUS有限元软件进行分析，得出最大应力和应力分布情况，进而对翻转支座结构进行优化。对翻转支座优化方案进行有限元分析，并制作样件进行试验验证，确认符合要求。关键词：汽车驾驶室悬置翻转支座分析优化中图分类号：U463.83*9.1文献标志码：A文章编号：10 0 0-4 9 9 8(2 0 2 3)0 8-0 0 2 6-0 4Abstract:In order to solve the problem of fracture failure of the overturning support for the frontsuspension of automobile cab in the test site,the maximum stress and stress distribution were obtained by usingABAQUS finite element software based on the theoretical basis of composite working condition,and then thestructure of the overturning support was optimized.Finite element analysis was carried out on the optimizationscheme of the overturning support,and the sample was made for experimental verification to confirmcompliance with the requirement.Keywords:AutomobileCabSuspensionOverturning SupportAnalysisOptimization1分析和优化背景汽车驾驶室悬置是连接车架和驾驶室的部件，具有衰减驾驶室振动冲击，提升驾驶员乘坐舒适度，提高车辆平顺性和舒适性，保障整车经济性和动力性等作用。汽车驾驶室悬置由前悬置和后悬置组成，一般通过四点与车架连接。每个悬置通常由车架连接件、弹性元件、阻尼元件、驾驶室连接件、导向机构组成。前悬置的主要作用有四方面。第一，支承作用。前悬置支撑并且承受驾驶室及乘员的重力，引导驾驶室的垂直运动，保持驾驶室的运行高度。第二，隔振作用。前悬置减缓因行驶时由路面引起的驾驶室振动，从而改善驾驶室的平顺性和舒适性。第三，翻转作用。前悬置保证驾驶室的正常翻转，以便于车辆维修。第四，安全作用。前悬置保证驾驶室的安全性，承受冲击载荷，吸收冲击能量。上述作用通过前悬置结构内部力的传递最终作用在翻转支座上，因此要求翻转支座具有足够的强度、刚度和良好的动态特性。笔者公司某车型试验场样车的驾驶室前悬置翻转支座出现断裂，如图1所示。为验证翻转支座结构设计合理性，应用ABAQUS有限元软件对翻转支座复合工况下的受力进行分析，得出应力分布情况，并根据应力分布进行结构优化，对优化方案进行分析，同时制作样件进行试验验证。图1翻转支座断裂2有限元分析2.1实体建模在CATIA三维软件实体零件设计环境中，通过草图创建实体凸台、凹槽等，进而绘制翻转支座总成模型，如图2 所示。翻转支座总成由翻转支座和销轴组成，两者之间为过盈配合。2023,61(8)27总第7 0 8 期机械制造发翻转支座销轴图2翻转支座总成模型2.2材料设置翻转支座材料为ZG310-570，密度为7 8 7 0 kg/m,弹性模量为2 0 6 CPa，泊松比为0.3 屈服强度为310MPa。销轴材料为4 0 Cr，密度为7 8 7 0 kg/m，弹性模量为2 11CPa，泊松比为0.2 7 7,屈服强度为7 8 5MPa。2.3网格划分网格划分越精细，得出的结果就越符合实际。翻转支座采用一阶网格分析，网格类型为三角形，二维网格大小为1 3 mm，节点数量为1598 8 7，网格数量为802296。网格划分模型如图3 所示。Z图3网格划分模型2.4边界条件设置在车辆结构有限元分析中，边界条件的设置正确与否对分析结果起重要影响，因此必须认真研究结构特点和工作状态，施加正确的边界条件。在总结众多试验数据、失效案例，分析理论计算模型的基础上，经过多次修正，提出复合工况的翻转支座受力计算方法。复合工况具体包含上下跳、转弯侧倾、紧急制动三种工况。翻转支座和车架配合的五个孔采用固定约束，如图4 所示。前悬置单点支撑力F为2 50 0 N。Z向上下跳加速度取2 g，因此垂向力F.取2 F，为50 0 0 N。Y向转弯侧倾加速度取0.4 g，因此横向力F,取0.4 F，为1000N。X向紧急制动加速度取0.8 g,因此纵向力F,取0.8 F，为2 0 0 0 N。g 为重力加速度。五孔固定图4五孔固定约束在车身上下跳运动的过程中，摆臂衬套中心绕翻转中心转动。在机械限位不起作用的行程内，车身上下跳动的过程中，摆臂衬套中心在整车X向上会产生1.96mm位移，如图5所示。摆臂衬套的刚度为2 8 3 1N/mm，摆臂衬套中心变形对翻转中心X向的最大压力Fz为554 8 N，由此，翻转中心X向的最大受力F为F+F2，即7 54 8 N。载荷设置如图6 所示。翻转中心1.961.96摆臂衬套中心图5X向位移282023,61(8)总第7 0 8 期机械制造发F图6载荷设置2.5分析结果翻转支座等效应力分析结果如图7 所示。Max:+4.079e+02(MPa)+4.079e+02+3.740e+02+3.400e+02+3:060e+02+2:720e+02+2:380e+02+2.040e+02+1.700e+02+1.360e+02+1:020e+02+6.800e+01+3.401e+01+1.094e-02407.9MPa347.5MPa312.3MPa296.1MPa288.7MPaA图7翻转支座等效应力分析从图7 中可以看出，翻转支座最大应力为4 0 7.9MPa。实物五个位置的应力大小与安全因数见表1。这五个位置为失效处及邻近四个位置。表1实物应力与安全因数位置12345应力/MPa347.5407.9296.1288.7312.3安全因数0.890.761.051.070.99由表1可以看出，实物失效处及邻近四个位置的安全因数都小于1.5,对于一般的汽车零部件，屈服失效安全因数不应小于1.5，所以结构安全因数较低，需要进行优化。3优化方案综合考虑翻转支座的铸造工艺及整车装配空间等因素，对翻转支座失效部位的加强筋、减重孔进行拓扑优化。拓扑优化依赖于有限元理论，可以进行连续体拓扑设计，方法可靠。经过多次修正，获得优化方案，如图8 所示。八图：优化方案4优化方案有限元分析采用优化方案后，翻转支座等效应力分析结果如图9 所示。(MPa)+2.015e+02+1.847e+02+1.679e+02+1.511e+02+1.343e+02+1.175e+02+1.007e+02+8.395e+01+6.716e+01+5.038e+01+3.359e+01+1.680e+01+1.469e-02015e+02Z图9翻转支座优化后等效应力分析292023,61(8)总第7 0 8 期机械制造MMMMMMM岚）（编辑上接第2 5页）XOOKKOKOOKOOEOEOEEOOEOKKOOKOOROOOEOOKOOKOOOKKOEOOOKOOORKOKOROOKOKOKOKOX岚（编辑上接第2 0 页）罡（编辑A研究发优化后翻转支座的最大应力为2 0 1.5MPa，安全因数为1.54，符合设计要求。按优化方案制作样件，送往试验场进行试验验证，结果符合要求。5结束语笔者以汽车驾驶室前悬置翻转支座复合工况受力为理论基础，通过对试验场样车断裂失效的翻转支座进行有限元分析，得出应力分布情况。根据应力分布对翻转支座进行优化，优化后进行有限元分析，并制作样件进行试验验证，结果符合要求，避免了后续量产质量问题，有效节约了更换、维修成本。参考文献1桂航，基于整车试验的商用车驾驶室悬置系统半主动控制研究D.武汉：武汉理工大学,2 0 2 1.2刘警，刘兰，袁丽，等.某重型卡车驾驶室悬置异响分析与改进J.汽车实用技术，2 0 2 2，4 7（17）：4 6-50.3王楷焱.商用车驾驶室悬置系统隔振特性与优化研究D.长春：吉林大学,2 0 11.4刘文晨，孙晓帮，李欢，等.驾驶室悬置系统的研究综述7楚武利,刘前智，胡春波.航空叶片机原理M.西安：西北工业大学出版社，2 0 0 9.8李业波.航空发动机组件化建模及性能参数估计D.南京：南京航空航天大学,2 0 11.9周文祥.航空发动机及控制系统建模与面向对象的仿真研究D.南京：南京航空航天大学,2 0 0 6.10陈靖华，徐伟祖，李传鹏.空气涡轮起动机性能数值仿真和试验研究J.南京航空航天大学学报，2 0 2 2,54（4）：654661.9陈慧源，康忠涛，成鹏，等.离心式喷嘴充填过程内部流动特性仿真J.航空动力学报,2 0 18,3 3（4）：94 4-951.10刘娟.旋转锥形液膜破碎过程实验与仿真研究D.长沙：国防科学技术大学，2 0 12.11王雷，方斌，王光彩.基于大涡模拟的离心式喷嘴雾化过程研究J.推进技术，2 0 2 1,4 2（8）：18 55-18 6 4.J.汽车实用技术，2 0 2 0,4 5（17）：2 4 3-2 4 4.5马晓峰.ABAQUS6.11中文版有限元分析从人门到精通【M .北京：清华大学出版社，2 0 13.6李平.数字样机运动仿真在汽车前桥开发中的应用J.机械制造,2 0 2 2,6 0(12）：2 9-3 0.7王树乐.宗智，陈高杰，等.ABAQUS软件下流场网格划分对仿真结果的影响J.科技创新导报，2 0 12,9（19）：4 9.8林秉华.最新汽车设计实用手册M.哈尔滨：黑龙江人民出版社,2 0 0 5.9王霄锋.汽车底盘设计M.2版.北京：清华大学出版社,2 0 18.10周鑫.基于有限元的FSC赛车踏板支座拓扑优化分析J.时代汽车,2 0 2 3(4)：113-115.收稿时间：2 0 2 3-0 5作者简介：吕志成（198 2 一），男，工程师，主要研究方向为商用车悬架设计开发。11白永秋，贾铎，杨永华，等.航空发动机用起动机发展现状及趋势研究C/2019年（第四届）中国航空科学技术大会，沈阳,2 0 19.收稿时间：2 0 2 3-0 2作者简介：李玉芳（197 3 一），女，研究员级高级工程师，主要研究方向为航空发动机安装设计及飞机燃油系统。A收稿时间：2 0 2 3-0 3作者简介：万攀（1990 一），男，工程师，主要研究方向为流体机械仿真与传热设计等。中国期刊方阵“双百”期刊华东地区优秀期刊上海市机械工程学会主办机械制造月刊邮发代号4-18欢迎订阅 欢迎来稿