小型赛车悬架立柱有限元分析

关亮亮，王本善，王思朋，韩松朋

（辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

引言

大学生方程式赛车大赛是一项全国性的，由汽车类及其相关专业高校学生组队参加的汽车赛事。悬架作为赛车最为关键的一个系统，决定了整车的速度。一套设计良好的悬架系统不仅能够给驾驶者带来好的乘坐舒适感，还能够提高整车的操纵稳定性，在比赛中提高赛车的竞争力。在悬架系统设计中非簧载质量是影响悬架系统性能的关键因素之一，所以本文将针对轻量化的立柱进行变形量和强度的分析，以确保其安全性。

1 理论基础

有限元法求解是将一个复杂的实体经过离散化，形成有限个细小的单元，对各个单元进行分析的办法，是将模型细化然后进行数值运算的过程。对于结构复杂，受力众多，边界问题，一般都运用有限元方法进行分析运算。这种方法求得的结果往往是近似解，而至于求解的准确性则是由网格的质量和精度决定。本文中所涉及到的静力学有限元分析通常是指在线弹性范围内施加一系列外力，通过力学模型的简化将受力复杂的模型转化成相对简单的弹性力学问题来求解的一个过程。如果想将模型简化求解，就必须对该力学模型进行以下假设：物体是完全弹性体假设；物体连续性假设；物体均匀假设；假定物体是各向同性的；位移、形变微小可忽略不计的假设。有了以上理论基础及静力学有限元的假设，本文中的受力分析便可以顺利完成。

2 立柱受力分析

考虑到车辆在静止状态和匀速直线状态下立柱受到的力并不是最大的，而前后立柱最大受力时刻分别为紧急制动和最大加速时，所以本文将对前后立柱最大受力情况下进行强度分析。首先设定车辆行驶向前为X 正方向，立柱内侧为Y正方向，垂直地面向上为Z 正方向，对前立柱紧急制动时做受力分析，对后立柱做全力加速时做受力分析。

紧急制动时，前立柱受到车轮垂直向上的支撑力Z=1150N，作用在轴承座上；受到车轮与地面产生的制动力，X=-500N，作用在轴承座上；受到上下横臂传递的推力和拉力，Y=2500N 和 Y=-2000N，及转向横拉杆传递的拉力Y=100N，分别作用到连接螺栓上。

全力加速时，后立柱受到车轮垂直向上的支撑力Z=1050N，作用在轴承座上；受到车轮与地面产生的推动力，X=800N，作用在轴承座上；受到上下横臂传递的推力和拉力，Y=-2300N 和Y=1800N，作用到连接螺栓上。

3 静力学有限元分析

3.1 几何模型的建立

由于在ANSYS 中建立结构复杂模型相对于在CATIA 中建立模型要麻烦很多，所以本文中所分析之模型是在CATIA软件下创建，然后对模型进行简化后导入ANSYS。模型导入之后，对模型进行了仔细的查看，通过ANSYS 完成前处理，做好分析准备。

3.2 单元类型的选取

在ANSYS 中有多种单元类型可供选择，较为常见而且应用于几何体分析中较广的为三维实体单元，所以本文中的前后悬架立柱均采用三维实体单元。同时根据单元的节点和自由度又可分为多种单元类型，其中四面体和六面体最为常见，如果所分析之实体是形状比较规则的几何体，那么采用六面体单元进行分析结果会更准确，但如果所分析之实体形状较为复杂，采用六面体划分网格会导致离散单元数量增多，分析效果降低，反而会造成单元质量降低、分析结果误差大等不良后果，所以本文采用四面体作为单元类型。

3.3 材料属性的设置

在选取合适的单元之后则需要确定材料的属性。现实中前后立柱的材料均为7075 锻造铝合金。其材料属性为如下：密度为2800kg/m3，弹性模量71GPa，泊松比为0.33，屈服极限为455MPa。

3.4 前后悬架立柱的强度仿真分析

将前后悬架立柱进行网格划分如图1：

将上文受力分析中的的作用力转化成均布载荷并施加到对应的受力点或面，定义边界条件后进行求解。求解之后可通过后处理得到分析数据，求解得位移变形图和应力图如图 2 和图3 所示：

图2 前悬架立柱变形和应力图

图3 前后悬架立柱变形和应力图

由图2 所示可知前悬架立柱的最大变形量 0.078574mm，应力最大值为 137.6MPa。后悬架立柱的最大变形量 0.1689mm，最大值为 123.99MPa。

4 分析与结论

通按照本文中受力分析对模型进行外力施加，通过ANSYS 下对前后立柱进行的静力学有限元分析可知，前悬架立柱的最大变形量 0.078574mm，应力最大值为137.6MPa，后悬架立柱的最大变形量 0.1689mm，应力最大值为 123.99 MPa，二者所受最大应力远小于材料的屈服极限455MPa，安全系数达到了3.3，完全满足强度要求，前后立柱的最大变形分别为0.078574mm 和0.1689mm，也在合理范围内，所以可以得出结论为该轻量化后的前后立柱都满足变形要求和强度要求。