基于ABAQUS的汽车前轴台架试验仿真模型优化

2021-03-01林玮静

山东交通科技 2021年6期

曹凯，林玮静，孔卓

（中国重汽集团汽车研究总院，山东济南 250101）

引言

汽车前轴台架试验是检测前轴产品质量是否达标的重要方法。在产品设计阶段，有限元仿真技术已成汽车前轴结构设计及可靠性验证的重要手段。孔振海等[1]利用 Hypermesh 建立前桥有限元模型进行强度和疲劳分析，验证前桥的刚度及疲劳寿命满足设计要求；冯美波[2]利用ANSYS/Workbench分析前轴主销孔处运用ANSYS的变形量与前轴最大转角的关系，最终确定了前轴的刚度；徐玉萍和方姣[3]运用Hypermesh和Ncode进行前轴仿真与台架试验结果分析，对前轴进行结构改进。

作为汽车重要承载件之一，前轴研发是汽车设计中的关键技术[4]。现阶段前轴研究的侧重点在于运用CAE仿真结果对前轴结构进行分析改进，而前轴的有限元模型的搭建并无统一规范，故无法保证仿真结果与台架试验的一致性。

1 前轴CAE仿真模型的初步建立

为保证前轴有限元仿真结果与台架试验结果的一致性，模拟某重卡前轴在台架上的实际装配，去除对仿真结果影响较小的横拉杆球头、主销限位螺钉等零件，并去除对结果影响较小的零件倒角、小孔等特征[4]，完成了CAE模型的创建，见图1。

图 1 前轴CAE仿真模型

CAE 模型单元类型采用C3D10M四面体，网格划分方法为自由划分网格，产生单元格数量 1 287 350个。推力轴承设置为刚性体，其余零件设置为弹性体。强度试验加载最小载荷75 kN，最大载荷217.5 kN，载荷通过参考点RP1、RP2施加在两板簧座上，主销与转向节、前轴接触，推力轴承于转向节和前轴端面接触。整个模型的边界条件设置为约束两车轮接地点 RP5、RP6 的 X、Z方向移动自由度和Y、Z方向转动自由度，并释放 Y方向移动自由度和X方向转动自由度。零件材料设置见表1，前轴CAE模型实体之间相互作用关系见表 2。

表1 零件材料及参数

表 2 前轴CAE模型实体之间相互作用关系

主销与转向节孔之间存在转向阻尼摩擦，由于摩擦力较小，对前轴仿真结果无影响，因此接触对属性设置为无摩擦；主销与前轴主销孔之间的接触关系设置为过盈配合，前轴与推力轴承、推力轴承与转向节之间为平面-平面接触对，接触面设置摩擦参数，以摩擦力约束推力轴承的移动自由度；转向节与转向横拉杆臂之间通过螺栓连接紧固，可采用绑定约束（Tie）代替。

由于转向横拉杆球头内部结构复杂，难以保证CAE模型中接触关系与实际的一致性，而该结构对前轴仿真结果无影响，因此将球头简化为两个参考点，通过点-面之间运动耦合（Kinematic coupling）的方式替代转向横拉杆与横拉杆臂的接触关系。

2 台架试验前轴CAE模型的合理性验证

为获取前轴应力值，在前轴上取7个测点，台架试验按照测点布置应变片贴片，见图2。试验载荷范围75～217.5 kN，试验按照《汽车前轴台架疲劳寿命试验方法》（QC/T 513—1999）进行[5]。

图 2 前轴应变片贴片位置/mm

将前轴CAE模型导入ABAQUS/Standard进行仿真分析，加载载荷与台架试验保持一致。以加载217.5 kN时所得前轴的理论结果与试验结果作为分析对象，前轴应力及位移云图见图3。

图 3 前轴应力云图

仿真结果与试验结果见表3，由表3可得：仿真与台架试验之间存在一定偏差，测点应力偏差范围7.48%～14.50%，仿真结果与试验结果的偏差在15%以内时可认为误差在合理范围内，因此，该模型能够较为精确地还原台架试验结果。

表 3 仿真与试验结果对比

3 前轴CAE模型简化

为消除网格大小对仿真结果的影响，经反复仿真验证，将网格种子密度设置为2。在此基础上进行分析计算。结果显示：（1）CAE 模型中部件之间存在多种相互作用关系，因此，对网格单元的大小及质量要求较高，仿真计算时需占用大量电脑内存空间，电脑配置过低时甚至无法完成仿真分析；（2）CAE模型中部件之间相互作用关系类型复杂，任何一个作用关系设置不准确都会导致仿真报错；（3）复杂的相互作用关系导致CAE模型太大，仿真时间过长，增加了不必要的产品设计时间。

结构静力学分析中，处理含有接触关系的有限元模型时，其有效手段在于正确设置接触关系和定义边界条件[6]。大部分接触分析不收敛问题，都是由接触关系的错误设置及自由度不合理约束导致。合理接触关系的设置主要包括正确定义接触面、接触属性及接触参数等，而合理的边界条件可以保证模型不会产生过约束及欠约束，从而保证模型不产生大的刚体位移。除此之外，处理模型时经常遇到接触关系较为复杂的问题，复杂的接触关系通常会导致仿真结果的不收敛[7-9]，若该装配关系对仿真目标无影响时，合理的运用耦合约束（coupling constraint）代替复杂的接触关系，可以有效解决模型不收敛问题，并能够保证仿真结果的可靠性。

前轴CAE模型进行简化。模型中各实体之间的相互作用替代关系见表4，所得简化模型见图4。

表 4 简化前后前轴 CAE 模型相互作用关系对比

图 4 简化后的前轴台架试验CAE模型

在简化模型中，去掉主销和推力轴承，从而减少了接触对数量。将主销简化成参考点RP5（RP6），将RP5（RP6）与转向节上下主销孔进行Kinematic coupling耦合约束，并限制Y、Z方向的移动自由度和转动自由度、以此代替主销与转向节主销孔的表面接触对，见图5（a）。将RP5（RP6）与前轴主销孔进行disiribute coupling耦合，限制X、Y、Z三个方向上的所有转动和移动自由度，以此代替主销与前轴主销孔的过盈配合接触对，见图5（b）。将推力轴承简化成参考点RP7（RP8），将RP7（RP8）与前轴拳部下端面、转向节下端面进行Kinematic coupling耦合，将参考点RP7（RP8）与前轴下端面完全固定，即限制前轴下端面相对于 RP7（RP8）的所有转动和移动自由度，另一方端限制转向节端面相对于RP7（RP8）的X方向移动自由度，以此代替推力轴承与转向节、前轴的面接触对，见图5（c）。CAE模型的其他相互作用关系保持不变。