基于显式动力学的控制臂球销脱出力仿真分析

常海啸　韩超　梁友涛　武小一

摘要：  为防止汽车使用过程中控制臂球销脱出，基于显式动力学有限元法，对某车型控制臂的球销脱出力进行仿真计算，利用Abaqus/Explicit求解器得到球销的脱出力和控制臂的等效塑性应变。与控制臂球销拉脱试验结果进行对比，验证该仿真分析方法的有效性。结合球销的实际结构，分析控制臂球碗端口壁厚、球碗端口下方圆角半径和球碗端口半径等3个参数对球销脱出力的影响，结果表明：增大球碗端口的壁厚、增大球碗端口下方圆角半径和减小球碗端口半径，均可以增大球销的脱出力。

关键词：  控制臂; 球销; 脱出力; 影响参数; 有限元

中图分类号：  U472; TB115.1文献标志码：  B

Simulation analysis on pull-out force of ball pin on

control arm based on explicit dynamics

CHANG Haixiao HAN Chao LIANG Youtao WU Xiaoyi

（State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise & Safety Control，

China FAW Group Co.， Ltd.， R&D Gentral， Changchun 130011， China）

Abstract： To prevent the ball pin pulling out from the control arm during the vehicle driving， the ball pin pull-out force of a vehicle control arm is simulated and calculated based on explicit dynamics finite element method， and the pull-out force of the ball pin and the equivalent plastic strain of the control arm are obtained using Abaqus/Explicit solver. The effectiveness of the simulation analysis method is verified by comparing with the pull-out test results of the ball pin of the control arm. Combined with the ball pin actual structure， the effects of three parameters on the ball pin pull-out force are analyzed， that include the wall thickness of the ball bowl edge of the control arm， the fillet radius below the ball bowl edge and the radius of the ball bowl edge. The results show that the pull-out force of the ball pin can be increased by increasing thickness of the ball bowl edge， increasing the fillet radius below the ball bowl edge and reducing the radius of ball bowl edge.

Key words： control arm; ball pin; pull-out force; influence parameter; finite element

作者简介： 常海啸（1989—），男，满族，辽宁沈阳人，硕士，研究方向为汽车底盘结构强度耐久仿真，（E-mail）changhaixiao@faw.com.cn0引言

随着汽车工业的不断发展，汽车质量不断提高，汽车的安全性也越来越受到人们的重视。[1]控制臂是汽车底盘运动和承载的主要导向元件[2-3]，其一端通过衬套与副车架相连，另一端通过球销与转向节相连。一旦球销从控制臂中脱出，必然会发生重大的安全事故。[4]控制臂球销设计要综合考虑部件极限承载能力、摆动角度和底盘结构等因素，球销的脱出力须满足一定要求。在球销设计阶段，采用有限元方法对其脱出力进行仿真分析，可指导结构设计，确保球销脱出力满足要求，有效缩短设计周期，降低研发成本。杨建强等[5]提出一种利用LS-DYNA软件求解转向外拉杆极限脱出力的仿真分析方法，但未考虑结构特征对脱出力的影响。

本文基于显式动力学有限元法，对控制臂外点球销脱出力进行分析，采用控制臂球销拉脱试验结果对仿真结果进行验证，确定分析方法的可行性，并据此研究球头座结构特征对球销脱出力的影响。

1显式动力学

使用显式动力学理论且结合有限元法计算球销脱出力，该方法求解过程简单。传统有限元法要对每个时间步重新计算刚度矩阵，而且需要反复迭代，计算需要耗费大量的时间和存储空间。显式动力学有限元法可以省去这2个步骤，使用中心差分法显式求解有限元方程，能够提高计算速度，降低存储空间，且计算稳定性较好。[6]

2有限元分析

2.1模型處理

球销脱出力仿真分析主要涉及的零部件有球销、控制臂、球销座和底板，模型示意见图1。由于该分析主要针对控制臂和球销配合的局部位置，为节省计算时间和存储空间，控制臂仅截取球销附近一段即可。

利用HyperMesh软件对控制臂和球销进行网格划分。[8]球销和球销座使用1阶六面体单元进行网格划分，单元尺寸为1 mm;控制臂与球销座配合区域附近采用1阶六面体单元，单元尺寸为1 mm，要求控制臂球碗圆角位置网格至少为3层，控制臂其他区域可以选择用四面体单元建模，单元尺寸为 2～3 mm，见图2。1阶六面体单元类型可选择C3D8I，四面体单元类型可选择C3D4。计算考虑材料非线性，各零部件材料参数见表1。

用*CONTACT INCLUSIONS， ALL EXTERIOR语句为所有接触面建立通用接触关系，防止网格穿透。[9]设置阻尼比为0.06，时间增量步取1×10^-7s。约束控制臂球碗上端面6个方向自由度，在球销上施加垂直向上20 mm的强制位移，输出球销拉脱力的反力和控制臂的等效塑性应变。将有限元模型保存为inp文件，提交Abaqus/Explicit求解器进行计算。[10]

2.2计算结果分析

利用Abaqus后处理软件查看求解文件，得到控制臂在球销脱出后的等效塑性应变云图和载荷-位移曲线（见图3）。由此可知，在球销拉出过程中，拉力先增大后减小，最大拉脱力为38.9 kN。

在强制位移作用下，球销从控制臂球碗中被拉出。在拉出过程中，控制臂球碗受到的最大应力超出材料的屈服极限，产生较大的等效塑性应变，即发生永久变形。等效塑性应变较大的位置为球碗端口和端口下方圆角处，见图4。

3试验验证

为验证有限元分析结果的准确性，进行控制臂球销拉脱试验。在20 ℃的试验环境温度下，将控制臂与球销装配好固定在试验台上，见图5。启动作动器，从0开始加载直到球销被拉出，在电脑端输出载荷-位移曲线。

取3件产品，分别进行拉脱力试验，得到控制臂球销载荷-位移曲线，见图6。由试验结果可知，样品的脱出力分别为37.4、36.9和38.2 kN，有限元分析结果脱出力为38.9 kN，误差为5%左右，可认为该有限元方法可以较好地仿真球销的脱出力。

4影响因素分析

基于上述分析方法，研究控制臂结构参数对球

销脱出力的影响。根据有限元分析结果可知，控制臂球碗端口和端口下方倒角位置等效塑性应变较大，因此主要考虑球碗端口参数对球销脱出力的影响。球碗尺寸示意见图7，其中R_φ为球碗端口下方圆角半径，R_d为球碗端口半径。在R_d相对不变时，R_h的变化可体现球碗的壁厚。

采用控制变量法，考虑球碗端口壁厚R_h对球销脱出力的影响。取Rd=14.00 mm、R_φ=0.50 mm，R_h取R_h1=18.75 mm、R_h2=19.00 mm和R_h3=19.50 mm等3种不同值，建立3个有限元模型计算相应的脱出力，结果见表2。

考虑球碗端口半径R_d对球销脱出力的影响，其中R_h=18.75 mm、R_φ=0.50 mm，R_d取R_d1=14.00 mm、R_d2=13.87 mm和R_d3=13.75 mm等3种不同值，建立3个有限元分析模型并计算相应脱出力，结果见表3。

考虑球碗端口下方圆角半径R_φ对球销脱出力的影响，其中R_h=18.75 mm、R_d=14.00 mm，R_φ取R_φ1=0.50 mm、R_φ2=1.00 mm和R_φ3=2.00 mm等3种不同值，建立3个有限元模型并计算相应的脱出力，结果见表4。

由表2～4可知，增大球碗端口的壁厚R_h、减小球碗端口半径R_d，以及增大球碗端口下方圆角半径R_φ都可以增大球销的脱出力，其中减小球碗端口半径的方法效果最明显。实际设计过程中可综合考虑部件极限承载能力、球销摆动角度以及控制臂结构布置等因素，结合上述分析结论，采取可行方案提升球销的脱出力。

5结束语

基于显式动力学有限元法，提供一种控制臂球销脱出力的仿真分析方法，对某车型控制臂球销脱出力进行有限元分析，与试验结果进行对比，有限元结果的误差仅为5%左右，证明该方法可以较好地仿真控制臂球销脱出力。

根据控制臂结构特征，分析3个结构参数对球销脱出力的影响，对比分析结果认为增大球碗端口的壁厚、增大球碗端口下方圆角半径以及减小球碗端口半径都可以增大球销的脱出力，其中减小球碗端口半径的方法效果最为明显。参考文献：

[1]袁超， 李卫红， 马球， 等. 锻铝控制臂失效分析[J]. 锻压技术， 2021， 46（6）： 72-76. DOI： 10.13330/j.issn.1000-3940.2021.06.010.

[2]陈泳. 汽车控制臂设计仿真研究[C]// 第十五届中国CAE工程分析技术年会论文集. 上海： 中国力学学会产學研工作委员会， 2019.

[3]阴雪莲. 基于稳健性的乘用车前下控制臂设计优化[J]. 锻压装备与制造技术， 2017， 52（5）： 73-76. DOI： 10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.022.

[4]刘晓卉. 悬架球头失效分析及无损拆卸方法探讨[J]. 汽车科技， 2020（4）： 74-79.

[5]杨建强， 焦学健， 苏泽鹏， 等. 某转向外拉杆极限拉脱力仿真与试验[J]. 农业装备与车辆工程， 2020， 58（10）： 127-129.

[6]刘亮. 基于显式动力学理论的新材料乒乓球碰撞动力学性能分析[J]. 技术创新与交流， 2021， 46（5）： 169-172.

[7]王勖成. 有限单元法[M]. 北京： 清华大学出版社， 2008： 476-479.

[8]王钰栋， 金磊， 洪清泉， 等. HyperMesh & HyperView应用技巧与高级实例[M]. 北京： 机械工业出版社， 2012： 47-209.

[9]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006： 125-163.

[10]马晓峰. Abaqus 6.11有限元分析从入门到精通[M]. 北京： 清华大学出版社， 2014： 378-414.（编辑武晓英）