金 标_基于HyperWorks的转向直拉杆屈曲有限元分析

基于HyperWorks的转向直拉杆屈曲有限元分析
金标史建鹏陈赣
东风汽车公司技术中心
基于HyperWorks的转向直拉杆屈曲有限元分析Buckling Finite Element Analysis for Steering Straight Rod Based on HyperWorks
金标史建鹏陈赣
（东风汽车公司技术中心）
摘要：在汽车转向过程中，转向直拉杆需要承受轴向压力，这一特征决定了转向直拉杆设计中有必要考察结构刚度。

本文在某转向直拉杆设计中，首先利用HyperWorks软件对设计方案进行屈曲分析得到临界载荷，然后借助ADAMS软件进行力学仿真，最终得到安全系数，为设计提供了理论依据。

关键词：屈曲, 转向直拉杆, HyperWorks, ADAMS
Abstract:Axle force is encountered for steering straight rod while a car is steering based on which it is necessary to check its structure stiffness during its design. In this paper, firstly buckling analysis is completed to get critical force with HyperWorks, then force is simulated with ADAMS, and finally security coefficient is determined, providing a theory basis for its design.
Key words:buckling, steering straight rod, HyperWorks, ADAMS
1 前言
转向直拉杆是汽车转向系统结构中的细长杆件，在转向过程中转向直拉杆需要承受很大的轴向压力，这一结构特点决定了在该零件设计中必须考虑刚度失效问题。

在工程中，这类压杆因刚度问题失效属于典型的屈曲问题，其失效不是由于强度不足引起的失效，而是结构刚度不够即稳定性不够所致，它属于结构稳定性一类的问题。

2 屈曲分析的基本理论
2.1 屈曲分类
对屈曲失稳问题的分析方法大致有两类，一类是通过特征值分析计算屈曲载荷，根据是否考虑非线性因素对屈曲载荷的影响，这类方法又细分成线性屈曲和非线性屈曲分析。

另一类问题属于分析高度非线性屈曲和失稳问题，例如结构的后屈曲问题。

本文转向直拉杆结构不涉及到初始结构的不完整性（几何缺陷）、材料超过弹线性范围内工作，边界条件（例如
摩擦、接触、追随力等）对屈曲载荷的影响，即不考虑非线性因素影响，因此本文采用第一类分析方法中的线性屈曲问题，即按特征值分析屈曲失稳临界载荷。

这种方法对屈曲问题大大简化，从而提高了屈曲失稳分析的计算效率，但特征值屈曲分析不适用于拱、壳等缺陷敏感结构。

另外，通过本文的分析研究，希望为以后非线性屈曲分析研究起到抛砖引玉的作用。

2.2 线性屈曲
分析通过提取使线性系统刚度矩阵奇异的特征值来获得结构的临界失稳载荷及失稳模态。

对于受压结构，随着压力的增加，结构抵抗横向变形力的能力会下降，当载荷道某一水平，结构总体刚度变为零，丧失稳定性，屈曲分析研究失稳发生时的临界载荷和失稳形态。

基于结构失稳前系统刚度矩阵会出现奇异，可将失稳问题转化为特征值问题处理。

假设结构受到的外载荷模式为，幅值大小为'
P λ，结构内力为Q 。

静力平衡方程为： Q F 'λλ=…………………………………………………1)
进一步考察结构在载荷作用下的平衡方程，应为： ('
F λλ∆+)()(){}
()''G S E ]~~K []S S K []K [F Q F λλλλµµλµλ∆=∆+=∆∆++∆++………2) 考虑到结构达到保持稳定的临界载荷时应有0=∆λ，代入2)式可得：
()()()(){}0~]~,~K []S ~K []~K []S ~K []K
[G S G S E =∆∆+∆+++µµµλµ………………3) 因此求解结构稳定性问题的临界载荷和失稳问题就归结为求解这一方程系数矩阵的特征值问题，考虑到结构失稳前的初位移较小，忽略失稳前初应力和初应变对刚度矩阵的贡献
后，可得： ()(){}
0~~K ]~K []K [G S E =∆∆+∆+µµσλ………………………4) 该方程转化为求解特征值方程：
()(){}
0~K ]~K []K [det G S E =∆+∆+µσ
λ………………………5) 忽略几何刚度增量的影响，屈曲分析的方程又可进一步简化为： (){}
0]~K []K [det S E =∆+σ
λ……………………………6) λ——屈曲失稳临界载荷因子，实际上代表了压应力对应的刚度对结构线性刚度的削弱程度； µ
~∆——结构失稳形态的特征向量。

这个方程为常用求解线性屈曲失稳载荷和失稳模态的特征值方程。

在有限元仿真过程中，可以输入任意载荷作为外载荷，将计算得到的第一阶屈曲失稳临界载荷因子乘以外载荷便得到最大载荷水平，即所求结构屈曲临界载荷。

3 有限元分析与计算
3.1 有限元模型建立
3.1.1 HyperMesh 软件建模流程
图1 HyperMesh 建模流程
3.1.2转向直拉杆有限元模型建立
从CATIA 软件导入CAD 模型到
HyperMesh
中，将模型中出现错位、缝隙以及对力学性能影响较小的几何细节，进行几何清理，采用一阶四面体单元进行网格划分，单元尺寸为2mm ，并检查控制单元质量参数，检查是否有重复节点、重复或缺少的单元以及高度畸变或翘曲的单元，网格质量检查标准可参照企业内部标准。

网格划分后共生成455491个四面体单元，118143个节点，材料为35#钢，屈服强度为315Mpa ，抗拉强度（冷拔）为590Mpa ，泊松比为0.3，弹性模量为210Gpa 。

载荷施加方式：在转向直拉杆输入端采用刚性（Rbe2）将受力部位节点连接起来，然后在Rbe2单元的主节点上施加任意载荷，载荷方向为垂直输入端截面方向，本文取5000N 的力。

约束方式：将转向直拉杆另一端面上相关单元的节点自由度全部约束。

有限元模型如图2所示。

图2 转向直拉杆有限元模型
3.2 计算结果分析
3.2.1 基于HyperWorks的转向直拉杆屈曲仿真
根据屈曲理论，结构的屈曲临界载荷与结构屈曲模态和结构载荷成正比，在任意载荷作用下，通过提取一系列屈曲模态，其中，屈曲模态与载荷的乘积即为结构各阶屈曲临界载荷，通常只关注第一阶临界载荷。

屈曲模态云图见图3，计算结果见表1。

图3 第一阶屈曲模态云图
表1 计算结果
静载荷（N）第一阶屈曲模态
因子（Hz）
第一阶临界载荷
（N）
实际外载荷（N）安全系数
5000 20.61 103050 34940 2.95
3.2.2 基于ADMAS的转向直拉杆力学仿真
为得到实际所受到的外载荷，通过ADAMS/VIEW模块建立悬架/转向模型，输入合适
的边界条件仿真得到载荷随时间变化曲线，最终得到外载荷。

ADAMS仿真模型见图4。

加
载点的载荷/时间曲线见图5。

图4 ADAMS仿真模型
34940N
图5 载荷-时间曲线
从图5中可以看出，转向达到极限位置时，即图中曲线趋于稳定时，转向直拉杆输入端承受34940N的最大载荷，由于转向直拉杆主要承受轴向压力，且另外两方向变量均很小，故最大轴向载荷可近似为34940N。

由此可得安全系数2.95，见表1。

4 结论
1) 通过采用HyperWorks软件进行仿真，获得了结构屈曲临界载荷103050N。

2) 通过ADAMS仿真得到转向直拉杆在转向时承受的最大载荷为39340N。

由此计算出安
全系数为2.95，满足设计要求。

3) 通过有限元仿真分析，考察了结构稳定性，可以有效避免潜在的问题，为设计提供了理
论参考。

5 参考文献
[1] 韩庆华, 金辉等. 程结构整体屈曲的临界载荷分析. 天津大学学报. 2005年第38卷第12期.
[2] 刘鸿文. 材料力学, 北京：高等教育出版社. 1997.
[3] 于开平, 周传月.《HyperMesh入门与精通》. 北京：科学出版社2005.。