基于ANSYS Workbench对转向拉杆各工况的仿真分析

孔丹，马明生，郭帅



基于ANSYS Workbench对转向拉杆各工况的仿真分析

孔丹，马明生，郭帅

（泰安航天特种车有限公司，山东 泰安 271000）

在汽车整体式转向系统设计计算过程中，转向拉杆的设计对转向系统的工况要求有着重要影响。通常对转向拉杆的设计计算都以正常转向工况的极限位置进行设计计算，但是在车辆实际使用过程中，由于特种汽车的使用环境恶劣，驾驶人员不能正确判断车辆是否可以顺利通过。文章将利用ANSYS Workbench软件模拟拉杆受力情况，确认设计工况是否可以满足实际使用工况要求。

转向拉杆；ANSYS Workbench；工况

前言

在汽车整体式转向系统设计计算过程中，转向拉杆的设计对车辆行驶工况要求有着重要影响。本文将利用有限元分析软件模拟拉杆受力情况[1]，对拉杆的三维装配模型施加载荷，得到拉杆在各种受力情况下的应力分布图[2]，确认设计工况是否可以满足实际使用工况要求。

1 拉杆的受力计算

在传统拉杆设计计算过程中，通常考虑车辆满载情况下，原地转向时拉杆的受力情况。本次研究的特种汽车断裂的拉杆为五桥横拉杆，因此，对五桥满载11.2t情况下的原地转向阻力矩进行计算。

原地转向阻力矩采用经验公式进行计算：

横拉杆最大受力F1= M1/五桥横拉杆最小力臂长= 22372.6N

根据驾驶员反馈，发生拉杆断裂时，车辆正在进行爬坡试验，当路面人员发现车辆三、四桥出现悬空情况时，立即指挥驾驶员停车，从坡上倒车，此时，五桥横拉杆发生断裂。

三桥、四桥悬空情况下，五桥载荷已达到30.6t。

2 运用ANSYS Workbench进行有限元分析

2.1 建立三维模型

运用三维建模软件Pro/e建立五桥横拉杆的三维模型，横拉杆两端球铰连接，为二力杆，受力方式为拉压，为简化模型，将球头螺纹及调整管不予考虑，故计算时只载荷直接施加于纵拉杆中段，其计算结果与实际结果相近。三维模型如图1所示。

图1 五桥横拉杆三维简化模型

2.2 进行网格划分

将五桥横拉杆三维简化模型导入ANSYS Workbench1，ANSYS Workbench将自动定义各组件之间的接触方式，定义模型材料为Q345钢，对模型自动化分网格。五桥横拉杆三维简化模型共划分成58250个节点，57670个单元，划分网格后的模型如图2所示。

图2 五桥横拉杆有限元模型

2.3 约束及载荷施加

在ANSYS Workbench中进行约束及载荷施加时，将拉杆一端进行固定约束，用以模拟从动转向的一侧，一端施加压力，用以模拟拉杆受力。五桥横拉杆约束及加载情况如图3所示。

根据本文第1节计算结果，分别施加F1=22372.6N、F2=101037N进行仿真。

图3 五桥横拉杆约束及加载情况示意图

2.4 仿真结果

图4、图5分别为应力F1=22372.6N、F2=101037N时，五桥横拉杆的应力分布图。

图4 五桥横拉杆Von Mises Stress云图

图5 五桥横拉杆Von Mises Stress云图

2.5 结果分析

本文五桥横拉杆材料为Q345钢，抗压（拉）屈服强度为345Mpa，抗拉强度极限为490 Mpa~620Mpa。取安全系数为1.5[3~4]，五桥横拉杆的许用应力[σ][5]=490Mpa/1.5=326 MPa。

五桥满载，原地转向工况下，五桥横拉杆最大应力为281MPa，没有超过许用应力[σ]=326MPa，即此工况可以满足拉杆工作性能要求。

三、四桥悬空，原地转向工况下，五桥横拉杆最大应力为1677.1MPa，超过许用应力[σ]=326MPa，即不能满足拉杆工作性能要求。需对此拉杆结构进行优化，提高安全系数，并加强操作人员培训，严禁车辆满载三、四桥悬空的工况下行车。

3 总结

本文通过Pro/e三维建模以及ANSYS有限元分析，分别模拟了五桥横拉杆在设计工况及实际工况受力情况，得到了最大应力的具体数值，为确定该设计工况是否符合实际要求提供了有力依据。但这仅是一种模拟分析计算，只能作为一种参考数据，与实际情况仍然存在一定的差距[6]。因此，后续将制作试验样件，建立力学实验台，对拉杆进行各工况环境下的试验，确保数据真实、可靠。

[1] 孙新民.现代设计方法实用教程[M].北京:人民邮电出版社, 1999.

[2] 谢里阳.现代机械设计方法[M] .北京:机械工业出版社, 2005.

[3] 刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社, 2004.

[4] 徐灏.机械设计手册（第五卷）[M].北京:机械工业出版社,1991.

[5] 濮良贵,纪名刚. 机械设计（第八版）[M].高等教育出版社出版. 2006(5).

[6] Ming,Jie, Liu,Zhizhang, Zhang,Qingzhu. Solar photovoltaic panels wind load testing and analysis[Z]. 2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering,MACE2010,Wuhan, China, 2010:1632-1635.

The Force Analysis of Steering Rod under Various Working Conditions Based on ANSYS Workbench

Kong Dan, Ma Mingsheng, Guo Shuai

( Taian Aerospace Special Vehicle CO., LTD, Shandong Taian 271000 )

In the design and calculation of steering rod have important influence on the working condition of steering system. Generally, the design and calculation of steering rod are based on the limit position of normal steering conditions. However, in the actual use of vehicles, due to the harsh use environment of special vehicles, drivers cannot correctly judge whether the vehicles can pass smoothly. In this paper, ANSYS Workbench software is used to simulate the stress of the tie rod to confirm whether the design working condition can meet the requirements of the actual working condition.

steering rod; ANSYS Workbench; working conditions

B

1671-7988(2019)03-105-02

U467

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1671-7988(2019)03-105-02

U467

孔丹，女，硕士研究生，就职于泰安航天航天特种车有 限公司，从事汽车底盘设计研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.032