基于ANSYS的汽车横向稳定杆疲劳分析

第２５卷第１２期 ２００ ８年Ｉ ２月
机械设计
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＡＣＨＩＮＥ ＤＥＳＩＧＮ
Ｖ０１．２．５ Ｄｅｃ．
Ｎｏ．１２ ２００８
基于ＡＮＳＹＳ的汽车横向稳定杆疲劳分析
黄康，仰荣德
（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥２３０００９）
摘要：基于疲劳寿命预测的相关理论，利用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，针对汽车横向稳定杆建立有限元模型，并将模 型在ＡＮＳＹＳ中作虚拟疲劳仿真分析，在较短的时间内获得了该零件的预测疲劳寿命、寿命安全系数及危险部位等信息。 从而可以快速判断该零件的受力、可靠性、疲劳寿命等情况；缩短了产品的设计周期，并可以对材料的选取、结构的优化 设计作出快速响应。
１ ＡＮＳＹＳ有限元分析软件疲劳分析的 理论基础
图２材料疲劳特性计算程序
·收稿日期：２００８—０１一１４；修订日期：２００８一０３一１２ 作者简介：黄康（１９６８一）．男．安徽径县人，教授，博士，研究方向：机械强度、机械传动、ＣＡＤ与优化设计等。
万方数据
２００８年１２月
黄康，等：基于ＡＮＳＹＳ的汽车横向稳定杆疲劳分析
图５横向稳定杆简化受力图 ２．２静力分析
根据横向稳定杆的受力分析和该型稳定杆的实际工况，在 ＡＮＳＹＳ软件中，对横向稳定杆中间两个与套筒的连接面作位移 约束，限制Ｙ轴及ｚ轴的移动和转动。对横向稳定杆两端面分 别施加大小为１５ ｍｒｎ，方向相反的位移载荷。然后对横向稳定 杆做静力学分析，得到稳定杆应力云图，如图６所示。
机械设计
第２５卷第１２期
示的分析结果。
２—８．
［２］ 沈光烈．横向稳定杆对客车车身静动态响应的影响［Ｊ］．现代制
造工程，２００５，（２）：１２３—１２５．
［３］
Ｋｕｏ Ｃｈｕｎｇ—Ｈｓｉｅｎ，Ｈｕａｎｇ Ｈａｎ—ＰａＩＩｇ．Ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓａ
ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｕｓｉｎｇ ｃｏｌｏｒｅｄ ｔｉｍｅｄ ｐｅ－
ｔｒｉ ｎｅｔｓ［Ｊ］．ＩＥａｔｉｏｎ．２０００，１６（３）：
３０１—３１２．
图８ ＡＮＳＹＳ中的疲劳分析结果 图８中计算结果表明，在此分析工况下，许用循环次数为 ２０４ ０００次，使用要求为２０万次时的使用系数０．９８０ ３６，能够满 足使用要求。
通过计算得到了６０Ｓｉ２Ｍｎ的Ｓ一Ⅳ曲线值，进而作出了该 材料对应的Ｐ—Ｓ一Ⅳ曲线，如图３所示。
利用ＡＮＳＹＳ软件中的Ｆａｔｉｇｕｅ Ｔｏｏｌ工具可以在ＡＮＳＹＳ应 力分析基础上进行疲劳仿真分析。Ｆａｔｉｇｕｅ Ｔｏｏｌ采用广泛应用 的应力一寿命方法，即以ｓ一Ⅳ曲线为依据进行寿命估算的方 法，可以直接得到总寿命。ＡＮＳＹＳ进行疲劳分析包含３个步 骤：材料疲劳性能参数设定、疲劳分析与疲劳结果评估口Ｊ。
豳４横向稳定杆在ＡＮＳＹＳ中的有限元模型 ２．１．４载荷与约柬处理
当横向稳定杆受扭力作用时，稳定杆的简化受力如图５所 示。图５中，曰，ｃ两点的位置是现实中稳定杆与套筒接触的区 域，为了简化模型，把这两区域简化为两夹持点。Ａ，Ｄ两点分
万方数据
圈７ ６０ＳｉＺＭｎ的Ｓ一Ⅳ曲线值输入ＡＮＳＹ￥的Ｓ一Ⅳ表中 该稳定杆的疲劳寿命要求在振幅为－Ｉ－１５ ｒｌｌｌｎ、频率ｌ一３ Ｈｚ 的条件下至少要达到２０万次。据此在ＡＮＳＹＳ后处理ＰＯＳＴｌ 中的Ｆａｔｉｇｕｅ项输入相对应的参数进行疲劳计算，得到如图８所
◆本书还从工程实际的角度出 发。结合经过实践生产检验的具体 实例。介绍了多工位冲裁级进模、多 工位弯曲级进模、多工位拉深级进模的设计过程和要点。
图６横向稳定杆静力分析的应力云图 ２．３疲劳分析
ＡＮＳＹＳ软件计算疲劳是用后处理得到的应力结果来确定 体单元或壳单元模型疲劳寿命耗用系数。完成了应力计算，去 除两端的应力集中点后，找到了图６中所示的应力最大点位置 （２７号节点），２７号节点所处位置正好与现实中容易发生疲劳 破坏的位置相符。因此，选取此２７号节点作为疲劳分析对象。 先把２７号节点应力存储后再二次加载求解，二次加载时两位 移载荷的方向与第１次时相反。求解完成后保存求解结果进 入后处理ＰＯＳＴｌ。把前面计算得到的材料Ｓ一Ⅳ曲线值输入到 ＡＮＳＹＳ中的．ｓ一Ⅳ表中，如图７所示。
关键词：横向稳定杆；ＡＮＳＹＳ；疲劳 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—２３５４（２００８）１２一００６６—０３
稳定杆是汽车独立悬架系统的重要安全件，在汽车转弯或 遇到阻力时可提高操作的稳定性，保证舒适性和行驶安全 性…。其任务是防止车身在转弯等情况下发生过大的横向侧 倾。横向稳定杆由弹簧钢制成，呈ＩＩ字形横悬在汽车前端或后 端。杆身两端通过套简支承在车架上，杆身可以在套筒内转 动，形成铰链支座。同时，为了防止横向稳定杆在运动过程中 出现运动干涉，在有限元模型中该铰链支座应能沿车架纵向移 动，形成活动铰链支座，杆两侧纵向部分的末端通过球铰链与 悬架上的弹簧支座相联。当车身只受对称载荷垂直运动，而两 侧悬架变形相等时，横向稳定杆在套筒内转动，而套简沿纵向 移动，不起稳定作用。这时横向稳定杆各部分均不受力。当两 侧悬槊变形不等，而车身侧倾时，稳定杆两侧纵向部分向不同 方向偏转，横向稳定杆受到扭力作用呤ｊ。横向稳定杆在汽车悬 架系统的结构位置如图１所示。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ—ｓｐａｎ
ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ＡＮＳＹＳ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ，
ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ＷａＳ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
ｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｒｏｄ；ＡＮＳＹＳ；ｆａｔｉｇｕｅ
Ｆｉｇ ８ Ｔａｂ Ｏ Ｒｅｆ ３
“Ｊｉｘｉｅ Ｓｈｅｊｉ”８０３８
·书讯·
多工位级进模设计标准教程 欧阳波仅编著
◆本书根据多工位级进模设计 的特点和应用，详细分析了排样设 计的原则和技巧。
ｔｉｏｎ ｅｔｅ．ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｐａｒｔ Ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ
ｓｈｏｒｔ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅｒｅｂｙ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｆｏｒｃｅ ｂｅａｒｉｎｇ，ｒｅｌｉａ－ ｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ—ｓｐａｎ ｅｔｅ．ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｐａｒｔ ｃａｎ ｂｅ ｒａｐｉｄｌｙ ｊｕｄｇｅｄ．ｎｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔ Ｗａｓ ｓｈｏｒｔｅｎｅｄ ａｎｄ ａ ｒａｐｉｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃａｌｌ ｂｅ ｍａｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａ－
疲劳是在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环 扰动作用后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久 结构变化的发展过程。构件在循环加载下产生疲劳破坏所需 的应力或应变循环数称为疲劳寿命。高循环疲劳裂纹形成阶 段的疲劳性能常以ｓ一Ⅳ曲线表征，Ｓ为应力水平，Ⅳ为疲劳寿 命。ｓ—ＪＩｖ曲线需通过试验测定。对试验结果进行统计分析后， 根据某一存活率Ｐ的安全寿命所绘制的应力和安全寿命之间 的关系曲线称为Ｐ—Ｓ—Ｎ曲线。５０％存活率的应力和疲劳寿 命之间的关系曲线称为中值ｓ一Ⅳ曲线，也简称ｓ一｜７、ｒ曲线。实 践表明。疲劳寿命分散性较大，因此必须进行统计分析，考虑存 活率的问题。具有存活率Ｐ（如９５％，９９％，９９．９％）的疲劳寿 命Ｍ的含义是：母体（总体）中有Ｐ的个体的疲劳寿命大于 帆。而破坏概率等于（１一Ｐ）。常规疲劳试验得到的ｓ一』＼，曲 线是Ｐ＝５０％的曲线。为了提高计算效率，开发了快速计算材 料Ｓ一Ⅳ曲线值的软件，如图２所示。图中口，ｂ为与存活率相 关的材料常数。文中所分析的横向稳定杆采用的材料是 ６０Ｓｉ２Ｍｎ，其在存活率为５０％条件下的口＝３８．８２６ ５， ｂ＝一１２．５５０ １。
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别受大小相同、方向相反的垂直力作用。在有限元模型中，可 以把Ｂ，Ｃ两点作自由度约束处理；Ａ，Ｄ两点的受力可以转化为 位移载荷处理。施加的位移载荷是汽车满载情况时稳定杆的 偏移量。
．Ｉｖ
图３ ６０ＳｉＺＭｎ的Ｐ—Ｓ一Ⅳ曲线圈
２基于ＡＮＳＹＳ的横向稳定杆疲劳分析
２．１有限元模型的建立 ２．１．１几何参数及几何模型的确立
ＡＮＳＹＳ具有完善的数据接口，可以与许多先进的ＣＡＤ软 件共享数据，利用ＡＮＳＹＳ的数据接口，可以精确地将ＣＡＤ平台 上生成的几何数据文件导入ＡＮＳＹＳ。某型汽车横向稳定杆采
用外径为４，２０删，璧厚３ ｍｍ的冷拔钢管制造。根据该零件
的具体几何参数，首先在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ三维ＣＡＤ软件中建立了横 向稳定杆的三维实体模型；然后再导入ＡＮＳＹＳ，将实体模型转 化为有限元模型。 ２．１．２材料参数
ｒｏｄ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ
ｍｏｄｅｌ Ｗａｓ ｍａｄｅ ｗｉｔｈｉｎ ＡＮＳＹＳ．ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ
ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ·ｓｐａｎ，ｓａｆｅｔｙ ｃｏｅｍｅｉｅｎｔ ｏｆ ｌｉｆｅ－ｓｐａｎ ａｎｄ ｄａｎｇｅｒｏｕｓ ｐｏｓｉ—
该横向稳定杆采用的材料为６０Ｓｉ２Ｍｎ。该材料的弹性模量 Ｅ＝２．０６ Ｘ１０’ＭＰａ，泊松比ｐ＝０．２９，密度为７ ８００ ｋｇ／ｍ３。 ２．１．３有限元模型中单元的选择与网格划分
汽车横向稳定杆结构较为简单，宜采用实体单元自由网格 划分。自由网格划分在体上自动生成四面体网格，同时为了获 得较好的计算精度，应采用具有二次方位移和能很好划分不规 则网格的二次四面体单元（Ｓｏｌｉｄ９２单元）。此单元有１０个点定 义，每个节点有３个自由度：节点髫，Ｙ和：方向位移。并且单元 有可塑性、蠕动、膨胀、应力钢化、大变形和大张力的能力。如 果选用的是六面体单元，则此方法自动将六面体单元退化为阶 次一致的四面体单元，因此，最好不要选用线性的六面体单元 （没有中间节点，比如Ｓｏｌｉｄ４５单元），因为该单元退化后为线性 的四面体单元，具有过强的刚度，计算精度较差；如果选用二次 的六面体单元（比如Ｓｏｌｉｄ９５单元），由于其是退化形式，节点数 与其六面体原型单元一致，只是有多个节点在同一位置而已。 因此，该模型采用Ｓｏｌｉｄ９２单元较好，在ＡＮＳＹＳ中用Ｓｏｌｉｄ９２单 元自由网格划分的有限元模型如图４所示。