基于ANSYS Workbench的横孔毛刺疲劳冲击有限元分析

刘 涛 田春林 李丽娟 侯茂盛

（长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022）

0 引言

汽车制动器是汽车底盘的重要部件，是关系到整车安全性能的重要组成部分，直接影响驾乘人员的生命安全，作为汽车制动器最重要的一个零件——制动主缸，其加工质量受到各大主机厂的高度重视，并要求其关键工艺需配备专用加工设备以保证加工质量。缸体材料多以铝合金为主，具有较好的塑性，所以在加工主缸的过程中，会在主缸的主孔与横孔相交处产生毛刺，如果毛刺保留下来，会损伤活塞的密封圈，导致刹车供油压力下降，制动力不足。现在多采用人工方法去除毛刺，难以满足各大主机厂对制动主缸的加工要求，所以，研究适用于横孔毛刺去除的加工工艺与设备迫在眉睫。由于横孔直径很小且流体疲劳冲击工况复杂，通过数学方法很难对其进行计算，而利用有限元分析软件，如ANSYS，可以对横孔毛刺流体疲劳冲击过程进行仿真，使分析较为合理[1]。

1 横孔毛刺三维实体模型

零件三维实体模型的建立是进行优选分析的前提，建立的模型是否与实际工况相符直接影响有限元的分析结果。与经典ANSYS APDL参数化建模方式相比，ANSYS Workbench属于CAE整合软件平台，其操作界面更为友好，建模操作更加便利[2-4]。

本文采用CATIA V5R20三维建模软件来建立横孔毛刺的三维实体模型，通过ANSYS SCDM软件进行转化使其成为ANSYS Workbench可操作的实体模型，最后在Workbench的Fluent分析模块中对横孔毛刺进行流体疲劳冲击仿真分析[5-6]，如图1所示。

图1 横孔毛刺三维几何模型

2 横孔毛刺的有限元模型

首先，将液压油喷出位置假设为轴对称结构，取过轴线的1/2截面，毛刺主要分布在进油槽和出油槽的内表面上。然后，将进油槽上的毛刺称为进口毛刺，出油槽上的毛刺称为出口毛刺。本文主要考虑液压油流出处的毛刺（即出口毛刺），同时将毛刺的分布延伸扩大到槽的外部。

完成喷油嘴建模后，通过对接口进行数据传递，进入Fluent完成压力分析。为了能够获得符合工况的网格，需采用半自动网格划分方法，假设每条边界的网格边界条件满足流体运动边界控制方程，会对数值计算产生很大的影响。根据分析方法的不同，选择的边界条件也应该随之改变。本文首先设计入口边界分别为30 MPa、20 MPa和10 MPa，代表疲劳冲击液压油压力强度，而出口边界采用默认的出口压力，固体壁面选用默认参数。

3 有限元分析结果

通过仿真分析，液压油工作压力为30MPa的工况下，静压力分布图、动压力分布图和流速分布图如图2～图4所示，能够反映在流体持续疲劳冲击过程中横孔毛刺本身所处的状态。

图2 静压力分布图

图3 动压力分布图

图4 流速分布图

分析图2～图4可知，当喷油压力为30 MPa时，制动主缸入口和出口相交处的内部液压油流动状态非常复杂，属于高速、高压不断围绕毛刺轴线进行旋转的湍流运动；液压油从入口流至出口的过程中压力和流速是逐渐减小的，毛刺根部所承受的最大静压力为4.37×106MPa，最大动压力为2.26×107Pa，最大流速为261 m/s。通过上述参数能够得到，毛刺在受到30 MPa液压油持续疲劳冲击的过程中能够实现0.2～0.5 mm毛刺的去除。

4 结语

本文运用CATIA V5R20建立横孔毛刺的三维实体模型，运用ANSYS Workbench仿真平台中的Fluent流体分析模块进行网格划分、边界条件约束，其中包括进口压强、出口压强和墙壁条件，完成制动主缸横孔毛刺有限元分析模型的建立。对疲劳冲击液压油压强为30 MPa、20 MPa和10 MPa的工况下毛刺周围的流场状态进行仿真分析，得到流场参数信息。通过分析结果，证明流体疲劳冲击加工能够满足横孔毛刺的加工要求且去除率达到95%。反冲加工还可以应用于其他内孔类零件的加工。