麦弗逊式前悬架下摆臂结构CAE分析

中国农业大学
硕士学位论文
麦弗逊式前悬架下摆臂结构CAE分析
姓名：王婷婷
申请学位级别：硕士
专业：车辆工程
指导教师：张红
20070501
田３－２壹弗逊式莆悬槊下摆臂的三维模型图
３．２．２ＵＧ模型导入ＡＮＳＹＳ软件的方法研究
可以通过ＩＧＥＳ文件将ＵＧ模型导入ＡＮＳＹＳ，导入ＡＮＳＹＳ后的下摆臂模型如图３．３所示．用此方法导入后的模型只保留了隶属于体的关键点、线和面，在ＡＮＳＹＳ中无法自动创建体ｐ７Ｉ．因此，该文件导入的模型在ＡＮＳＹＳ中还要通过一系列的拉伸、旋转成体后，才可进行体的网格剖分．这对于复杂模型来说，费时费力，没能很好发挥ＵＧ的建模优势．
田３－３ＩＧＥＳ文件导入ＡＮＳＹＳ后的下摆臂模型
也可以通过ＡＮＳＹＳＧＵＩ或～ＵＧＩＮ命令直接将ＵＧ模型导入ＡＮＳＹＳ．由于ＵＧ与ＡＮＳＹＳ之间无法实现无缝接口，模型仅以线结构显示体模型，如图３．４所示．
可以通过改变ＡＮＳＹＳ的界面设置，实现体模型的一般显示．在ＵｔｉｌｉｔｙＭｅｎｕ－－，ＰｌｏｔＣｔｒｌｓ－－，ＳｔｙＩｅ－－，ＳｏｌｉｄＭｏｄｅｌＦａｃ，ｅｔｓ中，将线结构显示更改为标准模型显示，然后在ＵｔｉｌｉｔｙＭｅｎｕ－－·Ｐｌｏｔ中选择ｒｅｐｌｏｔ，才能进行体分割，否则系统因模型存在病态拓扑而对分割命令不作响应·
中国农业大学硕士学位论文第３章前悬架模型的ＣＡＥ分析
圈３４直接导入ＡＮＳＹＳ的下摆臂攮型
对于复杂的模型来说，直接导入比通过ＩＧＥＳ文件间接导入实现体的转换简便得多，并且无需修改模型，因此，建议将ＵＧ模型直接导入ＡＮＳＹＳ中．
由于下摆臂模型中存在槽、孔（内环面）、倒角、倒圆等一系列细长面域，模型直接导入ＡＮＳＹＳ后会引起网格剖分失败．如果在ＡＮＳＹＳ中对细长面域进行合并、删除、分割等操作，过程比较繁琐．所以，在不影响分析结果的前提下，可在ＵＧ中对模型进行必要的简化．将下摆臂工字形断面简化为近似等形的矩形断面，保证在受到同等载荷作用下其结构在压缩、拉伸、扭转等方面受载情况近似相等，如图３－５所示．
图３－５简化后的下摆臂模型
３．３下摆臂模型的网格剖分
有限元方法的求解过程总体上由前处理、有限元计算和后处理三部分组成。

据有关资料统计，在整个有限元处理时间中，前处理部分占４０％～４５％，后处理部分占５５％～６０％，而分析求解计算的时间只占５％左右．网格划分是有限元前处理中的主要工作，也是整个有限元分析的关键工作，网格划分的质量和优劣将对计算结果产生相当大的影响．网格削分不仅繁琐、费时，而目在许多地方，在很大程度上依赖于人的经验和技巧．近年来推出了许多的自动划分网格的前处理软件，但总的来说，这些软件都还存在这样或那样的缺点．因此。

对有限元网格划分进行不断的试验、比较并积累经验是十分必要的ｐ”．
田３－９下摆臂的自由罔格剖分田（ＳＭＡＲＴＳＩＺⅨ）
由于ＳＭＡＲＴＳＩＺＥ６命令剖分下摆臂模型得到的网格单元数量很大，影响了以后的受力分析速度，因此为了提高软件运算速度．应更改命令ＳＭＡＲＴＳＩＺＥ６为ＳＭＡＲＴＳＩＺＥｌ０以降低网格数量，如图３．１０所示．
图３．－１０下摆臂的自由网格剖分圈（ＳＭＡＲＴＳＩＺＥｌ０）
如果采用ＳＭＡＲＴＳＩＺＥ命令后剖分的网格太粗糙，剖分完成后，ＡＮＳＹＳ会发出警告，提示剖分单元的雅可比比率超出ＡＮＳＹＳ的极限。

图３．１ｌ为下摆臂模型剖分完成之后，雅可比比值异常的单元．
圈３－１１雅可比比值异常单元显示田
．－Ｉ比比值（Ｊａｃｏｂｉａｎ恕Ｉｌｉｏ）是单元内各个积分点雅可比矩阵值中的最小值与最大值之比，即…ｔｈｅｓｍａｌｌｅｓｔＪａｅｏｂｉａｎｍａｔｒｉｘ
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可通过矩形单元等参变换计算雅可比矩阵值．如图３－１２表示，任意单元的四个节点ｌ、２、３、４进行ｆ一叩坐标变换成规则矩形单元，这样使计算简便·
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｜‘］‘Ｉ．，＼１２ｆ｜ｊ。

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图３．１２矩形的等参变换
以图３．１２中右图（－ｔ，－１）点为例。

其雅可比矩阵值为：
Ｉ卅㈨，＝佤一ｘ，Ｘｒ，－ｒ，）－（ｘ，－ｘ，Ｘｒ：一Ｘ）＝‘，４ｓｉｎＢ
一般雅可比比值的绝对值小于１，越接近ｉ单元质量越好，四边形单元的雅可比比值不能为负值，否则计算不会收敛Ｉ．１Ｉ．自由剖分表面网格单元角度过小会造成雅可比比值过大。

在ＡＮＳＹＳ系统中设定的最大值为３０。

如果超出最大值，则说明单元过度扭曲，这样的网格剖分仍然可以计算，但结果不太理想，最好重新划分网格。

３．３．３混合网格剖分的分法与技巧
混合网格剖分是解决复杂模型网格剖分的一种有效方法．它是将复杂模型分割成若干简单子模型，再根据子模型的几何特征综合使用自由网格剖分、映射网格剖分和拖拉、扫掠网格剖分三种方法．
从实体结构看下摆臂模型比较复杂，既有狭长实体，又有变截面体和不规则实体，，最好采用混合剖分．可以使用面的分割或根据当前坐标系的分割，先将下摆臂模型的狭长实体分割出来，并对其先进行映射剖分，以得到较好的网格质量；然后再对不规则实体做自由剖分，这样将极大地减小奇异单元产生的机率．
自由剖分网格的表面可以是三角形或四边形，但映射剖分的网格只能是四边形．为了使相邻面的网格剖分相互对应，自由剖分要兼顾映射削分，否则在相邻界面处可能会因为单元形状或单元自由度数不同而出现不协调。

不协调的单元在求解时会在不同单元间传递不适当的力或力矩【蜘．
图３．１３为混合剖分下摆臂模型后的网格剖分图．
田３－１３下摆臂的混合网格剖分图
３．４下摆臂的加载分析
由本文第二章可知，麦弗逊式前悬架下摆臂可简化为二力杆，其受力最大工况为驶过障碍路面工况．电动车下摆臂受到的最大作用力为６．８９ｋＮ，原型车下摆臂受到的最大作用力４．５１ｋＮ．由麦弗逊式前悬架的装配图可知，下摆臂一端通过下摆臂衬套和下摆臂支架同车身相连，一端通过球头销同转向节相连，因此，下摆臂同车身相连的一端为约束端，通过球头销同转向节相连的另一端为受载端，其受力方向应为约束端与受载端的连线方向，指向约束端．利用ＡＮＳＹＳ软件对下摆臂进行有限元分析．具体的设计与实现步骤如下：
１．在约束端的内表面施加约束：执行ＭａｉｎＭｅｎｕｌＳｏｌｕｔｉｏｎ［ＤｅｆｉｎｅＬｏａｄｓ［ＡｐｐｌｙＩｓ觚嘶ＩｆａｌⅡ）ｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｔｏｎＡｒｅａｓ命令，拾取约束端的内表面；
２．在受力端的内表面施加载荷；执行ＭａｉｎＭｅｎｕＩＳｏｌｕｔｉｏｎｐ娟∞ＬｏａｄｓＩＡｐｐｔｙＩＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ妒ｒｅｓｓｕｒｅｌＯｎＡｒｅａｓ命令，拾取受力端的内表面并设置载荷步及各项参数：
３．选择求解器并求解：执行ＭａｉｎＭｅｎｕＩＳｏｌｕｔｉｏｎＩＳｏｌｖｅ阻ｒｅｎｔＬＳ命令，完成求解运算；
４．结果的后处理分析．
３．４．１电动车下摆臂的ＡＮＳＹＳ后处理分析
在通用后处理器中查看电动车下摆臂在６．８９ｋ＿Ｎ的载荷作用下应力和应变的分布和变化情况，如图３．１４和图３．１５所示．
田３－１４电动车下摆臂变形形状结果
图３．１５电动车下摆臂ｖｏｎＭｉｓｅｓ等效应力图
由图３－１５电动车下摆臂节点应力云图可知，下摆臂节点受到的最大应力为３２５．５２９ＭＰａ，最大应力点集中分布在靠近约束端处；最小应力为４．７８６ｋＰａ。

３．４．２原型车下摆臂的ＡＮＳＹＳ后处理分析
在通用后处理器中查看原型车下摆臂在４．５１ｋＮ的载荷作用下应力和应变的分布和变化情况，如图３．１６和图３．１７所示．
圈３－１６原型车下摆臂变形形状结果
圈３－１７原型车下摆臂ｖｏｎＭｉｓｅｓ等效应力图。