毕业设计（论文）-基于ANSYS北汽福田汽车转向节的强度分析.doc

郑郑 州州 轻轻 工工 业业 学学 院院 本科毕业设计本科毕业设计( (论文论文) ) 题 目 基于 ansys 北汽福田汽车 转向节的强度分析 学生姓名 专业班级 机械设计制造及其 自动化 06-1 班 学 号 200602010109 院（系） 机电工程学院 指导教师(职称) 完成时间 2010 年 6 月 1 日 二 零 零 三 年 六 月 北汽福田农用汽车转向节的强度分析北汽福田农用汽车转向节的强度分析 摘 要 转向节是汽车转向系统的重要零件，其疲劳强度对车辆行驶的可靠性和安全性 有重要意义。本课题以北汽福田转向节为例，主要研究转向节的静强度和疲劳强度。 首先，应用 ansya 前处理模块，在建模过程中，采用了自顶向下的建模方法， 通过建立转向节杆部体元素和转向调节部位块元素建立体积单元，再由布尔运算法 建立汽车转向节的有限元模型；分析转向节在实际工作过程中的受力情况和约束情 况，给转向节施加适当的约束和载荷，进行静强度分析，探讨应力应变分布规律。 其次，应用疲劳分析理论，简化载荷谱，应用名义应力法进行转向节疲劳寿命 估算；然后，应用 ansys 软件建立合理的转向节有限元模型，并应用 ansys 软件进 行有限元应力分析。在此基础上，考虑零件材料疲劳特性、平均应力等影响因素， 使用 ansys 软件进行转向节疲劳仿真，估算其疲劳寿命。 最后，通过静强度分析找出静态应力极限值，通过疲劳分析得出疲劳耗散系数， 结合转向节的实际受载情况，分析转向节断裂的真实原因。 关键词：转向节，强度分析，疲劳，有限元 finite element annlysis of foton steering knuckle abstract steering knuckle is an important part of automobile steering systemthe fatigue strength characteristics of them strongly affect vehicles reliability and safety the thesis was aimed at the fatigue research of thesteering knuckle first，ansya application processing module，in the process of modeling，using the top-down method of modeling，through the establishment of steering knuckle stem body element and adjust position to establish volume unit block elements，again by boolean method to establish the finite element model of automobile steering knuckle，in the actual work knuckles analysis in the process of stress and constraint conditions，by applying the appropriate for steering knuckle constraints and load，the static strength analysis，explore stress and strain distribution. secondly, the application of fatigue analysis theory, the simplified load spectrum, the application of nominal stress method for estimating the fatigue life of steering knuckle. then, the application of ansys software, establish the reasonable knuckles finite element model, and finite element stress analysis. on this basis, consider parts material fatigue properties, the average stress factors as, ansys software is used for steering knuckle fatigue simulation, estimate the fatigue life. finally, through the analysis of the static stress out static strength, fatigue analysis through effective combination, fatigue dissipation of steering by the actual situation, analyses the knuckles fracture reasons. key words: steering knuckle, strength, fatigue, the finite element analysis 目目 录录 中文摘要. 英文摘要. 1 绪论.1 1.1 引言1 1.2 转向系统及转向节的简介1 1.3 选题背景2 1.4 课题意义和研究目的2 1.5 转向节强度分析研究现状2 1.6 论文的主要工作3 2 转向节有限元分析方法概论4 2.1 本次设计方法概述4 2.2 转向节的结构分析7 3 转向节强度分析的基本步骤 .7 3.1 软件介绍7 3.1.1 有限元发展历程7 3.1.2 有限元软件 ansys 介绍8 3.1.3 ansys 功能简介9 3.2 有限元模型的建立 10 3.3 定义解题类型19 3.4 定义单位 20 3.5 定义单元类型 20 3.6 定义材料属性 21 3.7 定义单元尺寸 22 3.8 划分网格 22 3.9 本章小结23 4 有限元静力分析.24 4.1 汽车参数及其计算 24 4.1.1 汽车参数24 4.2 转向节主要易损坏部位分析25 4.3受力情况及损坏原因分析26 4.4.对转向节模型施加约束与载荷28 4.4.1 载荷分类28 4.4.2.静力分析28 4.4.3 本章小结35 5 转向节的疲劳分析.35 5.1 引言 35 5.2 疲劳的定义 36 5.3 anasys 处理疲劳问题的过程 36 5.4 疲劳计算的基本步骤 36 5.5 线性累积损伤理论37 5.6 转向节的疲劳分析计算38 结 论 44 致 谢 45 参考文献 46 北汽福田农用汽车转向节强度分析 1 1 绪论绪论 1.1 引言 转向节是汽车车桥上的重要部件之一，它承受转向轮的负载以及路面传递来的 冲击，同时还传递来自转向器的转向力实现对汽车行驶方向的控制，因此对其在强 度、抗冲击性、疲劳强度以及可靠性方面都有很高的要求，对转向节零部件进行强 度分析十分必要。有限元法是工程中解决复杂问题的一种常用的近似数值分析方法。 随着计算机技术的不断发展, 有限元法越来越多地应用于计算机辅助工程领域,特别 是在汽车设计领域,无论是车身、车架的计算仿真还是发动机的曲轴以及传动系统的 计算均使用到该方法。是当前国际上流行的有限元分析软件,它包括结构分析、模态 分析、磁场分析、热分析和多物理场分析等众多功能模块。在转向节强度分析研究 中，通常采用 ansys 软件对其进行应力分析和疲劳、断裂及复合材料分析，ansys 软件可以较全面地对汽车结构进行分析计算，能显著减少设计与制造费用，增强对 所设计产品的信心，在汽车零部件设计和整车结构设计领域将具有广阔的应用前景 。 1 1.2 转向系统及转向节的简介 汽车在行驶中，经常需要改变行驶方向。汽车上用来改变汽车行驶方向的机构 称为汽车转向系统。汽车行驶方向的改变是由驾驶员通过操纵转向系来改变转向轮 (一般是前轮)的偏转角度实现的。转向系统不仅可以改变汽车的行驶方向，使其按 驾驶员规定的方向行驶，而且还可以克服由于路面侧向干扰力使车轮自行产生的转 向，恢复汽车原来的行驶方向。 尽管现代汽车转向系统的结构形式多种多样，但是都是由转向传动机构、转向 器、转向操纵机构三大部分组成。转向传动机构的功能是将转向器输出轴的运动传 递给转向臂，转向臂偏转车轮而改变汽车的行驶方向。转向器的功能是将转向盘的 回转运动转换为传动机构的往复运动。转向操纵机构的功能是产生转动转向器所必 需的操纵力。转向系统按使用能源不同分为机械转向系统和动力转向系统。本文研 北汽福田农用汽车转向节强度分析 2 究的转向节则是转向传动机构的一个重要组成部分，由于结构特殊并承载着汽车运 动的各种冲 击力，所以它的性能的好坏直接影响着整个转向系统的功能并影响汽车总体的操纵 性能。 1.3 选题背景 转向节是车辆转向系的重要部件之一，运行工况比较复杂，使用是否可靠，直 接危机人、车的安全。由于其使用环境的特殊性，所以要求其转向节的使用寿命应 达到 5 万小时。转向节承受转向轮的负载以及路面传递来的力冲击，同时还传递来 自转向器的转向力实现对汽车行驶方向的控制，在冲击性、疲劳强度以及可靠性方 面都有很高的要求。因而，应力、位移和应变分析是转向节设计过程中必不可少的 环节之一。 1.4 课题意义和研究目的 随着我国交通运输事业的迅猛发展，汽车在我国交通运输行业的使用日益普遍， 汽车的转向节设计更要考虑到产品使用时的各种恶劣的状况，对其强度刚度及可靠 性方面设计精度要求更高。转向节是汽车的一个重要部件，它承担着汽车转向这 2 个重要工作，它承载着除了来自汽车本身的各种载荷外，还承载着来自路面等很多 方面的影响(各种载荷和冲击力的影响)。并且它的安全性能也直接影响这这个汽车 整体的安全，直接影响着驾驶员和乘车者的安全，所以本文的研究的意义目的就是 保证转向节应满足相关强度和刚度的要求。 本文通过对转向节进行受力分析，以北汽福田转向节为例，通过建立转向节的 有限元模型模拟分析汽车转向节静力学受力特性，为转向节的设计制造提供理论依 据。 本课题选用的是北汽福田转向节，所以本文偏重于研究转向节分析的方法，为 以后的其它产品的有限元分析打下一定的基础和积累一点实际分析的经验。 北汽福田农用汽车转向节强度分析 3 1.5 转向节强度分析研究现状 转向节是汽车转向系统中的重要零件。转向节担负着转向和承载的双重任务， 其工作条件较差、受载复杂，不仅承担前轴负荷，还承担由地面冲击、车轮侧滑、 转向、制动等而产生的负荷。因此进行转向节的强度分析对于提高车辆的使用可靠 性和安全性具有重大意义。 在实际应用中，转向节出现过断裂的现象。工程师们对转向节强度和断裂原因 进行了研究。文献利用 ansys 软件对转向节的受力按照 3 种危险工况进行计算分 1 析，即紧急制动工况、侧滑工况和越过不平路面工况对转向节结构强度进行了有限 元计算。文献采用 b 级路面谱输入 adams 软件建立的整车模型, 得到转向节的载 3 荷谱,并在 ansys 中建立了某型轿车转向节的有限元分析模型, 对其进行了静力强 度计算, 通过名义应力法并结合 qt500- 7 材料的 s- n 关系, 利用 ansys 中的 fatigue 模块进行了结构整体的疲劳寿命计算。文献在 ansys 中应用蒙特卡洛方 4 法就制动工况进行可靠性有限元分析和影响转向节安全性的灵敏度指标分析,为矿用 汽车关键部件设计提供理论指导。文献通过使用光学显微镜和扫描电镜对某型转 5 向节臂的断裂截面进行宏、微观组织进行分析，认为其断裂性质为疲劳断裂。文献 对某型客车的左日订轮转向节断裂截面进行金相检验、扫描电镜，认为断裂性质 6 为早期疲劳断裂。他们认为转向节表面强度不够，存在加工缺陷是断裂产生的主要 原因。由于断裂事故的发生，转向节的强度分析一直是工程师们的研究热点。文献 在分析转向节承载特点的基础上得出了转向节名义工作载荷的计算方法，介绍 7 8 了电动谐振式转向节疲劳试验装置，并测定了 eql401 汽车转向节以次为循环 7 10 基准的疲劳极限，估算出其安全系数。此种方法为传统的疲劳分析方法，存在精度 效率低，试验时间长，试验费用昂贵等缺陷。文献利用 ansys 软件进行了客车 9 10 转向节的有限元分析，分析了三种典型工况下转向节的静态应力，确定该转向节满 足静强度要求。文献 11 也进行了这方面的研究，但是他们都没有进行下一步疲劳仿 真，没有分析转向节的疲劳强度。文献利 mscfatigue 挂行了某型转向节的疲 12 劳仿真，得出转向节的疲劳寿命。虽然其忽略了零件表面质量、表面强化强度等工 艺条件，但仍然为转向节的疲劳强度分析提供了一种方法。 北汽福田农用汽车转向节强度分析 4 1.6 论文的主要工作 本论文研究对象是北汽福田转向节。运用 ansys 软件设计转向节模型，用有限 元程序对车架进行整体分析，所以本文工作应从以下几个方面着手，其主要工作是： （1）了解汽车转向节的功用与要求 （2）简单介绍有限元法与 ansys 软件。 （3）用 ansys 进行三维建模。 （4）运用 ansys10.0，对模型进行相应的设置，包括有限元类型、材料属性、 网格划分、位移约束、载荷加载等等。 （5）对 ansys 里的转向节模型进行强度分析，得出最大应力数据及其出现的位 置。 （6）进行疲劳分析，估算转向节的寿命，并提出提高转向节疲劳强度的办法。 全部设计过程综合运用了四年来所学的各种知识机械原理、机械设计、机械制 图、材料力学和理论力学及汽车构造等专业方面的知识。通过本次设计，不但增强 了自己独立查阅文献，独立设计计算，独立思考等各方面的能力，更重要的，是对 四年来大学知识的一个总结，同时，也为自己即将的社会生活打下了一个坚实的基 础。 2 转向节有限元分析方法概论 2.1 本次设计方法概述 基于有限元的疲劳分析方法，设计的主要工作是对转向节进行静力学分析，通 过建立转向节的有限元模型模拟分析汽车转向节受力分析，即转向节受到的最大应 力是否超过许用应力，位移和应变是否都在允许范围内，若不在正确范围内在对转 向节模型进行改正，使之符合正确要求。再结合材料性能参数，我们就可以对模型 进行疲劳强度分析计算。 根据以上工作步骤，下面介绍基本理论有限元法 结构疲劳破坏，往往源于结构局部表面产生的裂纹，或结构内部存在的缺陷， 北汽福田农用汽车转向节强度分析 5 这些区域应力值最大，称之为危险区域。结构的疲劳强度分析，首先要求计算出这 些局部区域在外部复杂变化载荷作用下的应力或应变响应，其难以通过高深的数学 推导得到解析解。因此，人们常用有限元法来得到满足工程需要的数值解。有限元 的优点是可以用统一的方法，去解决各种不同的工程问题。 有限单元法的基本思想是：将所有的连续体划分为有限个互不重叠的叫做单 22 元的子区域，并用节点互相联系。在单元体内给出近似解的模式，用有限个节点上 的未知参数表征单元的特性，然后用适当的方法，将各个单元的关系式组合以求解 这些未知参数的方程组。求解这个庞大的线性方程组，得出各节点的未知参数值， 这样就解决了无限个连续质点无法用数值计算的困难。 下面对有限元法的求解步骤予以详细介绍： 1计算对象离散化 将分析对象分割成有限数个单元，单元之间设置联接节点，并使相邻单元的有 关参数具有一定的连续性，然后构成单元集合体以代替原分析对象，并将弹性体边 界约束用边界上节点约束去替代。 2单元分析 用力学理论研究单元的性质，从建立单元位移模式入手，导出单元应变、应力， 讨论单元平衡条件，建立单元节点力与节点位移之间的关系。 (1)建立单元位移模式：为了用节点位移表示单元内部位移、应变和应力，在分 析连续体问题时，必须对单元位移的变化做出一定的假设，也就是假定位移模式。 选择适当的位移模式是有限元法的关键。通常选择多项式作为位移模式，其原因是 多项式的数学运算比较方便，并且复杂函数的局部都可用多项式逼近。至于多项式 项数和阶次的选择，则要考虑到单元的自由度和解的收敛性要求，一般地说，多项 式的项数应等于单元的自由度数，它的阶次应包含常数项和线性项等。根据选定的 位移模式，即可导出单元位移与节点位移关系式. 23 （2.1） e nf 式中：单元内任一点的位移矩阵 f 单元的节点位移矩阵 e 单元位移模式矩阵 n 北汽福田农用汽车转向节强度分析 6 (2)单元应变 由上式可导出用节点位移表示的单元应变： (2.2) e b 式中：单元内任一点的应变矩阵； 单元应变矩阵，亦称几何矩阵； b （3）单元应力 由上式，可导出应力与节点位移的关系： (2.3) e bd 式中：单元内任一点的应力矩阵 与单元有关的弹性矩阵 d （4）单元刚度矩阵与单元平衡矩阵 导出单元刚度矩阵是单元特性分析的核心内容，其可由下式得出： (2.4) zyx t e dddbdbk 式中：单元刚度矩阵。 e k 利用最小势能原理，可以导出单元平衡方程 (2.5) eee kf 式中：等效节力点。 e f 3整体分析 在单元分析的基础上，建立系统总势能计算公式，应用最小总势能原理建立有 限元基本方程；引入位移边界条件后求解该有限元方程，解出全部节点位移，最后 逐个计算单元的应力。 (1)建立整体有限元方程 这一过程包括两方面内容：一是将各个单元的刚度矩阵，组成整体刚度矩阵； 一是将作用于各单元的等效节点力集成总载荷。 最常用的组集刚度矩阵的方法是直接刚度法，即要求所有相邻的单元在公共节 点处的位移相等。因此，得到有限兀基本方程： 北汽福田农用汽车转向节强度分析 7 (2.6) fk 式中：整体刚度矩阵 k 节点位移矩阵 节点载荷矩阵 f （2）引入边界条件，求解未知节点位移和计算单元应力由边界条件，利用式(26)， 可求出全部节点上的未知位移，再利用式(23)可计算各单元的应力，并加以整理 求得所要求的结果，例如最大主应力，最小主应力等等。 2.2 转向节的结构分析 转向节是汽车转向桥中的保安零件通过主销跟前轴装配在一起组成汽车转向 桥的主体构件。其功能是通过悬架和车架来承受和传递地面与车架之间的各种作用 力，同时又与汽车转向系相连利用关节式连接，使两侧转向车轮可相对于车轴偏 转，与转向系配台，实现汽车的转向。 转向节零件结构复杂外形特殊，加工部位较多，是汽车车挢制造中的关键零 件。转向节的结构形式按节体和转轴的组合方式，分为整体式和分开式两种。整体 式转向节是节体和轮轴合为一个整体，其毛坯一般采用锻造成形。分开式转向节是 节体和轮轴分成两件，轮轴采用棒形坯料节体毛坯为锻造或铸造成形分别加工 后再压配成一体。目前国外汽车多数采用整体式结构转向节。 转向节是汽车行使系统的关键零件，其运行工况比较复杂，使用是否可靠, 直 接危及人、车安全。产品外形复杂，成形难度较大，由于其使用环境的特殊性故要 求其转向节的使用寿命应达到 5 万 h,原有成形工艺经常产生折纹、模具变形等缺陷。 断裂部位常发生在轮毂轴承轴颈直圆柱与圆锥小端交汇处，导致转向节构件早期失 效。本次设计主要是根据以上的问题提出的，转向节不仅要承受汽车前轴给它的压 力和行驶时不同路面给它的反作用力，同时还要承受汽车转向的扭力，即大部分时 间受弯曲疲劳应力，部分时间受弯、扭复合应力。因此应力分析是转向节设计过程 中必不可少的环节之一。 北汽福田农用汽车转向节强度分析 8 3 转向节强度分析的基本步骤转向节强度分析的基本步骤 3.1 软件介绍 3.1.1 有限元发展历程 20 世纪 60 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（clough）教授 形象地将其描绘为：“有限元法=rayleigh ritz 法分片函数”，即有限元法是 rayleigh ritz 法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义 域边界条件的允许函数的 rayleigh ritz 法，有限元法将函数定义在简单几何形状 （如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个 定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。 有限元法最早是为解决结构计算而提出的，并成功应用于工程实践中。随着研 究的深入，有限元法不仅作为一种解决力学问题的分析方法，而且也是一种数学上 解微分方程的数值计算方法。除连续体弹性力学外，塑性力学、流体力学、传热学、 结构分析动力学、变流力学等等都广泛使用有限单元法进行计算。 有限元法起源于飞机和导弹的结构设计，发表这方面文章最早而且最有影响的 是西德的 j.h.argyris。19541955 年间，他在aircraft engineering上发表 了许多有关这方面的论文，并在此基础上写成了能量原理与结构分析，此书成 为有限元法的理论基础。1956 年，美国的 m.t.turner、r.w.clough、h.c.martin 和 l.j.topp 等人发表了一篇题为复杂结构的刚度和挠度分析的论文，此文提 出了计算复杂结构刚度影响系数的方法，并说明如何利用计算机对此进行分析。 1960 年，r.w.clough 在一篇介绍平面应力分析的论文中，首次提出了有限元法的 名字。1965 年，英国的 o.c.zienliewice 及其合作者解决了将有限元法应用于场的 问题，使有限元法的应用范围更加广泛。1960 年以后，有限元法作为分析飞机复杂 结构的一个有效方法首先应用于航天工业部门；随后，迅速推广到造船、建筑、机 械、汽车等各个部门，在工程上逐渐获得广泛的应用。 13 有限元方法就是根据现实对象的实际结构利用 cad 软件建立三维实体几何模型， 将三维实体模型离散化，并将结构体所受实际载荷分别作用到各单元体上，最后求 出各单元体节点力和位移。有限元分析的具体步骤是:1，离散化，即划分单元或网 北汽福田农用汽车转向节强度分析 9 格;2.施加载荷，描述约束;3.计算各个单元的刚度矩阵，建立单元平衡方程;4.求解 结构整体刚度矩阵，建立结构整体平衡方程;5.求解线性代数方程组，得出各节点位 移，由节点位移求各单元节点力;6.显示处理计算结果 14 3.1.2 有限元软件 ansys 介绍 ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元 分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ansys公司开发，它能与 多数cad软件接口，实现数据的共享和交换，如 proengineer，nastran，ideas，autocad等，是现代产品设计中的高级cae工具 之一。ansys程序一直在不断地进行发展，其逐渐增加的功能具体如下：结构高度非 线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划 分、大应变和有限转动功能以及利用ansys参数设计语言(apdl)的扩展宏命令功能。 ansys还具有多物理场耦合的功能，它允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算， 如：热一结构耦合、磁一结构耦合以及电一磁、流体一热耦合等。 15 ansys设计数据访问模块(dda)能够将使用cad建立的模型输入到ansys程序中， dda为与设计数据密切相关的分析求解提供保证，并可通过先进的接口访问分析结果。 ansys dda接口产品支持许多领先的cad软件。 16 与其他有限元分析软件如abaqus或nastran等相比，ansys有以下特点： (1)ansys是完全的windows程序，按照windows菜单化操作方式进行操作。 (2)ansys产品系列由一一整套可扩展的、灵活集成的各模块组成，能满足 各行各业的工程需要，例如fatigue疲劳寿命分析模块。 (3)ansys不仅可以进行线性分析，非线性分析功能也比较强大。 (4)ansys是一个综合的多物理场耦合分析软件，用户不但可用其进行诸如结构、 热、流体流动等的单独研究，还可以进行这些分析的相互影响研究。 17 3.1.3 ansys 功能简介 随着有限元分析技术的推广，各种有限元分析软件也随之开发出来，例如德国 asi(a，英国paeec，法国systus，美国 abqus、adina、nsys、bersafe、bosor、c0smos、idas等公司均有成熟的产 北汽福田农用汽车转向节强度分析 10 品 18 ansys10.0主要包括3个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 (1)前处理模块；提供了一个强大的实体建模及网格划分工具。用户可以方便地 构造有限元模型软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和 材料 (2)分析计算模块：包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性 分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的辐合分 析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力 (3)后处理模块；包括两个部分。通用后处理模块和时阅历程后处理模块.通用 后处理模块可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些,结果可能包 括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表 两种这个模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出ansys10.0具有结构静 力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学,热分析等基本的功能同时 ansys10.0在原有功能的基础上又作了许多改进，具有优化设计、建立予结构子模型 等高级应用功能。 ansys10.0主要包括以下9个基本功能，即：结构静力分析、结构动力学分析、 结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、声场分析和压电分析功能。 3.2 有限元模型的建立 1定义工作文件名 utility menufilechang jobname,在弹出的 chang jobname 对话框输 入 zxj,并选择 new log and error files 复选框，单击 ok 按钮。 2 定义工作标题 utility menufilechang title,在弹出的 chang title 对话框中输入 zxj，单击 ok 按钮。 3.创建一个长方体 main menupreprocessormodelingcreatblockby dimensions,输 入坐标值 北汽福田农用汽车转向节强度分析 11 图 31 4.创建两个圆柱体 main menupreprocessormodelingcreatcylinderby end pts 2)累积损伤与以前的荷载历程无关; 3)加载顺序不影响材料的疲劳寿命。 从这些假设可以看出,miner 准则简化了疲劳累积损伤的机理。尽管 miner 准则中的 累积损伤度 d=1 是近似的,但是由于其形式简单而且偏于安全,所以 miner 准则目前 在工程上仍然得到广泛应用。 首先需要获得材料的 s-n 曲线,这里,由于没有进行相关 40cr 材料的疲劳寿命实 验,采用 45 钢的 s-n 曲线作为分析中的输入数据,如图 1 所示。一般说来,同等应力 幅下 40cr 材料的疲劳寿命要高于普通钢材,这样的计算结果数据偏于安全。 北汽福田农用汽车转向节强度分析 38 图 5-1 s-n 曲线 5.6 转向节的疲劳分析计算 1.输入s-n曲线 main menugeneral postprocfatigueproperty tables-n table,弹出 fatigue s-n table 对话框，将构建的材料的 s-n曲线输入其中 ， 分别输入 ：“循环次数 ： n=2000，20000，40000，60000，80000，100000，200000，300000，400000 ，500000，600000，700000，800000，900000，1000000”和“应力值 ： s=320，310，300，290，280，275，272，270，268，267，266，265，264 ，262，260”，单击“ok”。 北汽福田农用汽车转向节强度分析 39 图 5-2 2.提取应力最大的节点位置 main menugeneral postproclist resultssorted listingsort nodes, 弹出一个 sort nodes 对话框, 在“list sorted nodes for”后面的文本框中选择 ”results”, 在“item,comp sort nodes based on”后面的文本框中选择 ”stressvon mises seqv”, 单击“ok”。 将出现应力降序排列，第一个点即为要找的节点，记下它的节点号788。 北汽福田农用汽车转向节强度分析 40 图5-3 3.指定一个应力位置 main menugeneral postprocfatiguestress location,弹出一个 fatigue stress location 对话框，在“reference no.for location” 后面的输入栏中输入数字 “1”，“node no.corresp to nloc”后面的输入 栏输入 “4302”,单击“ok”。 图5-4 4.从数据库中提取应力值 北汽福田农用汽车转向节强度分析 41 main menugeneral postprocfatiguestore stressesfrom rst file,弹出一个 store stresses at a node,from results file 的对话框， 在“node no.for stre storage”后面输入节点号 “4302”，“event number”后面输入 “1”，”loading number”后面输入 “1”，单击“ok”。 图5-5 5.存储节点的应力值 main menugeneral postprocfatiguestore stresses specified val,弹出一个 store specified stresses values at node 的 对话框 ，在“node no.for stre storage”后面的输入栏中输入 “4302”, “loading number”后面输入 “2”，单击“ok”，又弹出一个对话框 ，并在 相应的输入栏中输入 “0，0，0，0，0，0”，单击“ok”（之所以输入 6个 0，是因为工作装置受力为对称循环 ）。 图5-6 北汽福田农用汽车转向节强度分析 42 图5-7 6.设定事件的重复次数 main menugeneral postprocfatigueassign events,弹出一个 assign event data 的对话框 ，在“ref no.for this event”后面的输入 栏中输入事件 “1”，“number of cycles”后面输入 “900000”，“scale factor for stresses”后面输入 “1”，“title for this event”后面输 入“evel”,单击“ok”。 图5-8 7.疲劳计算 main menugeneral postprocfatiguecalculate fatig,弹出一个 calculate fatig 对话框 ，单击“ok”又弹出一个如下图所示的疲劳计算结 果汇总信息窗口 ，其中列出了所指定节点位置的疲劳寿命使用系数，浏览完 后，单击“fileclose”。 分析结果如下： 北汽福田农用汽车转向节强度分析 43 图5-9 从以上对的分析结果中可以看出，转向节的疲劳寿命耗用系数都小于 1，根据 线性累积损伤理论，损伤累积达到 1 时材料发生破坏,可见，转向节没有发生破坏。 北汽福田农用汽车转向节强度分析 44 结结 论论 本论文应用有限元法和基于有限元的强度分析方法进行转向节强度分析。研究 工作得出如下结论： 应用ansys进行转向节结构应力分析。由图4.3可知，转向节轴颈及其邻近的 轴肩存在明显的应力集中，应力突然从约103.093mpa直接增加为309.277mpa，变化 梯度很大。图4-9、4-10表明，转向节最大表面应力值为309.277mpa，均低于零件材 料40cr的许用应力393mpa，转向节满足静强度要求； 针对转向节的应力集中区域，进行零件疲劳强度分析算。在有限元结构应力 分析基础上，应用fatigue进行转向节疲劳计算机仿真。 根据疲劳理论和有限元应力分析结果提出如下措施： 减缓应力集中。由于危险区域截面的突变而产生的应力集中是该区域表面产生 裂纹并扩展的主要原因。加大过渡圆角半径，缓和应力集中，是提高疲劳强度的有 效措施；降低表面粗糙度。表面质量一定程度上影响着零件的疲劳强度。降低表面 粗糙度，减少或避免加工产生的缺陷可以提高零件的疲劳寿命；在一定的范围内， 提高零件危险区域表面硬度可以加强零件的抗疲劳性能，因此可采取表面强化的方 法，如渗碳、渗氮、滚压强化和喷丸