基于有限元分析的汽车前桥前轴的优化设计
2012-08-29兰常艳黄在璐
兰常艳，黄在璐
（方盛车桥（柳州）有限公司，广西 柳州 545006）
前轴是汽车前桥的重要部件，其功能是承受汽车前部的载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下，承受着多变的载荷，因此，要求其具有很高的强度，是汽车上的安保件。设计不合理的前轴，寿命短，容易断裂，对汽车的行驶安全构成极大隐患。随着有限元分析技术的发展，通过有限元分析，能够在零件设计之初，对零件的结构和强度进行分析，尤其对于需要进行模具开发的零件，能够提高产品开发的一次成功率，降低开发成本，减少浪费。同时，能使产品的结构得到最大的优化，减少零件材料自身的净质量。本文通过Solid Works 对前轴的结构进行有限元分析，对其疲劳性能进行研究，并进行结构优化方案设计。
理论依据为：应用有限元分析软件COSMOS Works 对前轴进行有限元分析计算，在应力云图的基础上，进行疲劳极限分析，对零件进行优化和改造，提高零件的性能。
1 前轴三维数模的建立
利用Solid Works 建立实体的三维模型，并导入COSMOS Works。三维几何模型如图1。
图1 前轴三维模型
介于分析的目的是模拟工况，得出参考数据，所以本文在分析的过程中，增加与前轴相接触的零件（如图2），这样更能达到分析的效果。
图2 前轴及配合件模型
2 零件的材料参数
前轴的材料采用45 号钢，材料参数如表1 所列。
表1 前轴材料参数表
3 有限元模型约束和载荷分析
前轴是通过主销将汽车两边车轮进行连接，汽车行驶时，前轴在板簧安装面处承受来自板簧的垂直支撑载荷F。因此，载荷的施加方法为：约束车轮中心位置，在板簧中心施加载荷F。考虑到有限元分析的过程，需要大量的时间，为了缩短分析时间，本文采用对称分析的方法，约束和载荷如图3。
图3 前轴约束及载荷
4 有限元分析划分网格
以单元大小为10 mm、公差为0.5 mm 对前轴模型进行网格划分，如图4 所示。前轴节点数为144 627，单元总数为95 025。
图4 前轴网格划分
5 有限元分析结果
将使用工况的载荷施加到有限元模型中，提交COSMOS Works 进行计算，在COSMOS Works 防真导航器中得到位移，应力应变的分布情况（如图5）。
图5 前轴应力分布
从该应力云图中可以看出，在前桥R 圆弧过渡区域，应力数值为整个模型的最大区域，同时也是应力梯度变化最剧烈的区域。零件采用的是45 号钢材料，该区最大应力出现在R 圆弧过渡区的应力集中，值为345 MPa，超过材料的许用应力335 MPa。说明该过渡区域结构不合理，无法满足使用工况的要求。在使用的过程中会从该处断裂。因此，必须对此区域结构进行改进，提高强度。
6 零件优化设计及模型分析
根据之前有限元分析的结果，很容易找到零件的薄弱之处。针对薄弱之处，提出以下优化措施：
（1）将零件材料由45 号钢，更改为50 号钢。
（2）增大中部的横截面积。
（3）过渡区域变缓。
优化后，重新生成模型。进行模型网格划分：单元大小为10 mm，公差为0.5 mm，支架节点数为145 169，单元总数为95 759（如图6）。
图6 优化后前轴网格划分
优化后变截面的应力云图如图7 所示。R 圆弧过渡区域的应力为247 MPa。
图7 优化后前轴应力分布
通过改变前轴的材料和结构，对前轴进行优化设计，再次进行有限元分析表明，减少了前轴过渡的应力集中，提高了前轴的强度，使之达到工况要求。改进前，前轴过渡区域应力为345 MPa；改进后，前轴过渡区域应力减少为247 MPa，应力减少28%。
通过有限元分析，在零件设计过程中，就能够及时发现设计中的缺陷，通过调整零件结构和材料等参数，对零件的应力分布进行对比，选择最优的材料和结构，从而达到零件优化设计的目的。
7 结束语
通过Solid Works 建立前轴的三维模型，结合COSMOS Works 对其进行疲劳应力分析，得到此零件的应力分布情况。有限元的分析方法，在其他产品零件设计中，具有重要的借鉴意义。利用计算机辅助设计，可以在精确建模的基础上，模拟技术零件的强度，找出其结构上的薄弱环节，通过比较、校验改进设计，最终得到理想方案。同时，为后期的试验提供参考，减少试验次数，降低试验成本，缩短开发周期，提高产品的品质。
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