基于有限元分析的轿车转向节设计.doc

XX大学本科毕业设计说明书毕业设计说明书 设计题目： 基于有限元分析的轿车转向节设计 学 院： 汽车工程学院 专业年级： 车辆工程专业 2012级 学 号： 学生姓名： 指导教师、职称： 2016年 5 月 17 日目录摘要IAbstractII1 引言11.1 研究的目的和意义11.2 转向节发展概述11.3 有限元法简介21.4 主要设计内容32 建立转向节几何模型42.1 转向节的选择42.2 UG的简介42.2.1 UG的概述42.2.2 UG的优点42.3 转向节实体模型的建立52.3.1 转向节的主要尺寸参数52.3.2 转向节建模过程53 建立转向节有限元模型143.1 HYPERWORKS简介143.1.1 HYPERWORKS的特点143.1.2 HYPERWORKS的各个模块143.2 模型简化143.2.1 简化原则143.2.2 简化方法143.2.3 转向节简化153.3 有限元模型的建立153.3.1 将三维实体模型导入HYPERWORKS中153.3.2 定义单元类型163.3.3 定义材料属性173.3.4 划分网格174 计算工况和载荷确定194.1 东南菱帅车型主要参数的确定194.2 转向节受力分析194.2.1 不平路面工况载荷计算204.2.2 紧急制动工况载荷计算214.2.3 侧滑工况载荷计算224.2.4 不平路面加侧滑组合工况载荷计算234.2.5 紧急制动加侧滑组合工况载荷计算244.2.6 紧急制动加不平路面组合工况载荷计算265 转向节有限元静力分析285.1 转向节约束条件285.2 三种工况下转向节加载方式295.3 各工况下转向节有限元静力分析295.3.1 不平路面工况静力分析295.3.2 侧滑工况静力分析315.3.3 紧急制动工况静力分析335.3.4 不平路面加侧滑工况静力分析345.3.5 紧急制动加侧滑工况静力分析365.3.6 不平路面加紧急制动工况静力分析376 转向节自由模态分析406.1 转向节自由模态分析的概述406.2 转向节自由模态分析的步骤和结果分析407 转向节轻量化487.1 转向节轻量化方案487.2 转向节轻量化后静力学分析487.2.1 不平路面工况分析487.2.2 紧急制动工况分析497.2.3 侧滑工况分析507.2.4 不平路面加侧滑工况分析507.2.5 不平路面加紧急制动工况分析517.2.6 侧滑加紧急制动工况分析517.3 转向节轻量化后自由模态分析528 结束语538.1 论文总结538.2 本论文的不足与改进53参考文献54致谢55摘要本文以轿车转向节为研究对象，利用CATIA软件建立转向节三维实体模型。将CAD模型导入Hyperworks分析软件中，并建立转向节有限元模型。根据转向节实际受载情况，将其分为3种不同的工况即不平路面工况、侧滑工况、紧急制动工况，并计算转向节在各个工况下的载荷。用有限元法对转向节进行静力分析，获得不同工况下转向节的变形及应力分布。最后用自由模态分析方法对转向节进行动力学分析。结果表明，该转向节强度和刚度都满足设计要求且具有良好的动态特性，不会产生共振现象。关键词：转向节，有限元法，静力分析，模态分析CAD&CAE模型下载/tuzhi/index.php?m=content&c=index&a=preview&catid=6322&id=296026IAbstractThe steering knuckle of Lioncel is taken as the research object in this paper.CATIA software is used to establish and simplify the three-dimensional model of steering knuckle.The simplified model is imported into HYPERWORKS analysis software and the Hyperworks analysis software is used to create Lioncel steering knuckle finite element model.According to the actual working situations of steering knuckle,the working conditions is divided into 3 basic kings.They are uneven pavement,emergency braking and sideslip conditions.Then the load of steering knuckle on various conditions is caculated.Meawhile,3 combined working conditions should be taken into account as well. Then, the free modal analysis is used to do dynamic analysis of steering knuckle .The result shows that the strength and stiffness of the steering knuckle meets the design requirements and have good dynamic characteristics.Key words： Steering Knuckle, Finite Element Method,Static Analysis;Modal AnalysisI1 引言1.1 研究的目的和意义转向节是汽车转向桥中的重要零件之一，它是车轮转向的铰链，一般呈叉形。转向节上绕减震器相连出进行旋转转向。轿车在行驶的过程中，常碰到急刹、侧滑、不平路面等特殊情况，转向节作为转向桥的特殊部件，当轿车车轮转向时，转向器中的转向节必须保持工作性能的安全可靠性，它的设计不但要满足结构上的合理，还要使得其在各种恶劣工况下工作时保证强度和刚度上的要求。转向节的结构要运用CATIA三维设计软件进行设计，在设计完的基础上又要将其导入有限元分析软件进行各种工况的受力分析、模态分析，对不满足要求的部分进行修改。最后在设计出在满足结构、强度、刚度、性能良好的情况下，尽可能使转向节轻量化，从而降低制造的成本，提高经济效益。争取设计出质量好、结构好、经济性好的“三好转向节”。转向节是在转向系中占据重要的作用，他的工作情况比较复杂。它工作的安全可靠性在一定程度上决定了行车的安全。转向节受到整车的重力、地面的摩擦力、及力矩等，因此设计出来的转向要满足强度、疲劳强度等要求。基于安全性原因，对轿车转向节的研究具有极重大的意义。此外，对工作状态下的转向节分析和数据收集，对设计好的东南菱帅轿车转向节进行有限元分析，得出轿车转向节的应力和应变的分布规律以及各阶模态的固有频率，通过结果分析得出合理的轿车转向节进行优化设计，为轿车转向节的强度评价及轻量化设计提供了相关数据，从而显著减少设计和制造费用，提高经济性。1.2 转向节发展概述传统的转向节设计过于粗糙，对设计出的转向节直接铸造样品，容易造成材料上面的浪费，加上有一些部位比较薄弱，容易出现问题，产品的质量无法保证。有限元法的提出及广泛地在汽车零部件上面应用，极大的方便了对汽车零部件的分析及制造。将设计好的转向节先进行Hyperworks有限元分析，可以得出所设计转向节的不足之处，然后进行修改、优化，可以极大的提高转向节的性能，使得设计出的转向节精确度、合理性更符合要求。目前，国内的很多高校及研究人员与车企合作，共同研究设计转向节的合理结构，使得转向节逐步往稳定性、轻量化方面发展。在不久的将来，转向节在Hyperworks中的运用将更加广泛，更加方便快捷。1.3 有限元法简介有限元法是将力学、数学与计算机科学几门学科通过一定的联系融合在一起，其中力学在有限元法中有着举足轻重的地位，它是有限元法存在的基石。有限元法对所有场问题和连续的介质的求解适应性非常强，是结构分析中非常重要的一个环节。它的运用极大地方便了对物体结构的分析及优化。据文献记载，有限元法已经诞生了100多年了，相关文献记载，有限元法在1900年左右就被提出来了；到了20世纪50年代，人们开始对有限元法产生了逐步的认知，并逐渐对有限元法有了比较全面的认识。一些先进的科学家在工程实践中运用有限元法解决了一部分工程难题，比如飞机中结构设计，运用有限元法进行流体力学分析，极大程度对飞机结构进行优化；二十世界六十年代，克拉夫第一次将这种分析方法命名为“有限元分析方法”；到七八十年代科学家们将有限元用到生活的各个角落；到了九十年代，有限元法被运用于工程实践中，真正实现了它的价值。同时，许多功能强大的有限元分析软件也出现在人们的视野中，其中HYPERWORKS是这些有限元分析软件中运用的比较广泛的一款软件。工程中常遇到一些结构比较复杂的物体，很难进行人工力学分析，这时需要借助有限元分析软件，将所研究分析的物体的结构进行离散化，最后得到许多较为简单的单元体，然后针对各个小单元进行分析受力分析并求解，然后再将这些离散的单元体利用一定的关系，组合起来，最后进行整体求解。 有限元法发展快速，在工程设计领域中应用广泛，特别是汽车设计中，设计师常常将它引入汽车设计中，让所设计的产品更加科学、安全。有限元分析软件在汽车中的应用有如下几点8：1)车身、车架及车上各个零部件的结构强度、刚度的分析，自由模态分析，及结构上的优化和轻量化处理； 2)车身内声学设计；3)各个零部件的疲劳强度分析；4)整车性能的综合分析和评价。1.4 主要设计内容本设计的主要设计内容如下。1)对轿车转向节整体结构等重要参数的确定；2)使用UG制图软件建立轿车转向节的几何模型；3)利用Hyperworks软件建立东南菱帅轿车转向节有限元模型；4)根据汽车运行的工况，计算转向节在3种不同工况所受的载荷；5)利用Hyperworks软件对转向节进行3种不同工况的下静力学分析6)利用Hyperworks软件对转向节进行自由模态分析。2 建立转向节几何模型2.1 转向节的选择转向节是汽车转向主要的传力件和承载件。本设计选用铸造式中的东南菱帅转向节，对其进行CATIA建模。2.2 CATIA的简介CATIA是由法国著名飞机制造公司Dassau1t开发并由IBM公司负责销售的CAD/CAM/CAE/PDM应用系统，CATIA起源于航空工业，其最大的标志客户即美国波音公司，波音公司通过CATIA建立起了一整套无纸飞机生产系统，取得了重大的成功。围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的CATIA V5版本，可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中，可以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。作为世界领先的CAD/CAM软件，CATIA可以帮助用户完成大到飞机小到螺丝刀的设计及制造，它提供了完备的设计能力：从2D到3D到技术指标化建模，同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计、工程分析及仿真和加工等功能有机地结合，为用户提供严密的无纸工作环境从而达到缩短设计生产时间、提高加工质量及降低费用的效果。2.3 转向节实体模型的建立2.3.1 转向节的主要尺寸参数本设计要针对转向节在各个不同工况进行受力分析，因此对东南菱帅轿车参数的收集是本设计的基础。经收集数据，得到转向节的主要尺寸参数如表2-1所示。 表2-1 东南菱帅主要参数类型参数驱动形式前驱轴距2500mm前轴离质心距a1150mm后轴离质心距b1350mm满载质量1510kg排量1.6L车长4430mm车宽1700mm车高1410mm后轮距2500mm前轮距1450mm2.3.2 建立CATIA模型图2-1 转向节CAD模型建立CATIA模型所示。3 建立转向节有限元模型3.1 Hyperworks简介Altair HyperWorks 是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成设计与分析所需各种工具，具有无比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。通用多体系统动力学仿真及工程数据前后处理器，它在一个直观的用户界面中结合了交互式三维动画和强大无比的曲线图绘制功能。强大的数据分析和图表绘制工具，具有多种流行的工程文件格式接口、强大的数据分析和图表绘制功能、以及先进的定制能力和高质量的报告生成器。世界领先的基于有限元的优化工具，使用拓扑优化方法进行概念设计。3.1.1 Hyperworks的特点 1）网格划分精确，后处理直观；2）适用各种工业技术领域；3）多平台支持；4）求解器高效；5）具有流场优化功能的软件；6）工作界面友好。3.1.2 Hyperworks的各个模块HyperWorks包括以下模块：（1）Altair HyperMesh高性能、开放式有限单元前后处理器，让您在一个高度交互和可视化的环境下验证及分析多种设计情况。（2）Altair MotionView通用多体系统动力学仿真及工程数据前后处理器，它在一个直观的用户界面中结合了交互式三维动画和强大无比的曲线图绘制功能。（3）Altair HyperGraph强大的数据分析和图表绘制工具，具有多种流行的工程文件格式接口、强大的数据分析和图表绘制功能、以及先进的定制能力和高质量的报告生成器。（4）Altair HyperForm集成HyperMesh强大的功能和金属成型单步求解器，是一个使用逆向逼近方法的金属板材成型仿真有限元软件。（5）Altair HyperOpt使用各种分析软件进行参数研究和模型调整的非线性优化工具。（6）Altair OptiStruct世界领先的基于有限元的优化工具，使用拓扑优化方法进行概念设计。（7）Altair OptiStruct/FEA3.2 模型简化3.2.1 简化原则在满足精度要求的情况下，保持转向节结构基本不发生变化；尽量使所建立的有限元模型节点数目减少；保留实际工作环境下转向节容易受到破坏的结构；确保所设计的转向节更接近实际状况。3.2.2 简化方法1)略去转向节中不必要的工艺结构；2)略去转向节中不必要的倒角；3)简化不产生危险的结构。3.2.3 转向节简化 根据以上所述的简化原则与方法，现将转向节简化。1)去掉不影响结果的螺纹孔；2)将转向节设计成一个整体；3)为防止网格划分单元数过多，去除不必要的倒角。 简化后如图3-1所示。 图3-1 转向节简化图3.3 有限元模型的建立3.3.1 将三维实体模型导入Hyperworks中将CAD模型转换为STP格式后，导入到Hypermesh中，如图3-2所示。 图3-2 导入转向节实体3.3.2 网格划分采用四面体单元进行网格划分，单元尺寸5mm。如图3-3所示。图3-3 模型网格划分3.3.3 定义材料属性 表3-1 材料属性 为了使所设计的转向节能够真实的进行仿真，必须定义转向节的材料属性。本设计假定转向节的材料为弹性材料，均匀且各向同性,材料属性如表3-1所示。名称材料泊松比弹性模量(Pa)密度(kg/m3)屈服强度(MPa)转向节40cr0.31.96 x10117850785 图3-4 定义材料属性4 计算工况和载荷确定4.1 东南菱帅车型主要参数的确定在设计该转向节前，需要收集东南菱帅轿车的一系列参数，为后续的载荷计算提供基础。参数中，为了确保设计的转向节更可靠，本设计取东南菱帅轿车满载质量为整车计算时的质量。表4-1 东南菱帅主要参数类型东南菱帅驱动形式前驱轴距2500mm前轴离质心距a1150mm后轴离质心距b1350mm满载质量1510kg排量1.6L车长4430mm车宽1700mm车高1410mm后轮距2500mm前轮距1450mm4.2 转向节受力分析本设计对处于紧急制动工况、侧滑工况和越过不平路面工况下的转向节进行静力学分析。根据分析，在不平路面时，转向节受到垂直载荷作用和纵向载荷作用；紧急制动时，有垂直载荷，力矩（本设计已经转化为到转向节与下悬架连接处的两个分力），纵向载荷；侧滑工况时，受到侧向载荷、垂直载荷。当汽车越过连续不平的路面时，有垂直载荷Fz，根据实际情况对受力部位进行简化，如下图4-1所示，本设计假设弹簧力作用线与减振器的中心线重合，EG平行与地面，O1、O2分别为减振器中心线与下控制臂EG及车轮纵向中心面的交点4。图4-1 悬架受力状况4.2.1 不平路面工况载荷计算汽车越过不平路面时，转向节受到路面传来的力，如图4-2所示。当车轮越过连续不平路面时，转向节凸台受到地面向上的垂直跳动力Fz，它的大小由前轮静载荷和动载系数决定。G点为转向节与下横臂连接点，由于转向节DG为倾斜，所以在G点有个分力F，而竖直方面的分力与支持力抵消。本设计将D点和E点近似看成处于同一水平面。a为轮胎中心到减振器上端D点在横向方向的水平距离， 下控制臂到E与减振器上端D点在垂直方向上的距离为C。经实测得到：a=262mm ；b=808mm； c=730mm； e=31.6mm ；m1为前轴静载，m2为后轴静，a为质心到前轴距离，b为质心到后轴距离，L为两轴距，由理论力学计算： (4-1) (4-2) (4-3) 带入算得到m1=815.4kg m2=694.6kg 最大垂直动载荷: 式中：动载荷系数（考虑到汽车处于连续不平路面，此处K取2.5）； 前轮静载荷；Fzmax=G1K2=82=9988.65N 4.2.2 紧急制动工况载荷计算汽车在行驶过程中突然紧急制动，转向节不仅受到最大垂直静载荷FZmax和横向力FGy，还受到在纵向平面内还受到最大制动力FXmax。纵向平面受力图如图4-3所示。图4-3 紧急制动时悬架的受力状况图4-3中（a）、（b）分别是纵向平面和横向平面内悬架的受力状态。b为减振器上端与到地面的高度。紧急制动时轮胎在N点受到垂直静载荷FZmax与制动力FXmax，悬架中的G点除了在横向平面内受到拉力FGy外，还在纵向平面内受到车身通过摆臂传来的分力FGx。最大垂直静载荷： 最大制动力： = 式中：m制动状态下汽车质量分配系数（本设计m取1.4） 路面附着系数（本设计取0.8） 本设计将极限状况下制动车轮抱死不转，则车轮与转向节成为一个整体，即FXmax直接作用在转向节内圆柱面上。将上分析所得的各个力施加在转向节实物模型上，如图4-4所示。图4-4 紧急制动转向节受力图 4.2.3 侧滑工况载荷计算当汽车发生侧滑时，一般认为内侧的车轮受到的垂直作用力为零，即整个前轴静载荷都作用到外侧的车轮上，则垂直静载荷。式中：前轴静载荷最大侧向载荷 = 其受力分析如图4-5、图4-6所示： 图4-5 分析图 图4-6 转向节侧滑时受力状况 以上是针对三种基本工况的受力分析，汽车在行驶的过程有可能出现两两工况组合的情况，有限元分析仅针对典型工况进行分析。5 转向节有限元静力分析5.1 转向节约束条件转向节在实际工作过程中，与横臂、减震器、制动盘、车轴等部位连接，图5-1为转向节的安装位置，可以直观的看出转向节受到的力及约束情况。本设计只是针对转向节进行静力学分析，故对转向节进行全约束。图5-1 转向节的安装位置车辆在行驶过程中，转向节受力情况较为复杂。本设计将汽车行驶工况归纳为三种基本工况，即不平路面工况、侧滑工况、紧急制动工况。三种组合工况，即不平路面加侧滑工况、紧急制动加侧滑工况、不平路面加紧急制动工况。经过研究分析转向节的工作状况，将各工况下的转向节采取统一的约束，在Hypermesh的环境下对转向节的有限元模型施加约束。对图5-1所示，对减震器安装孔、下摆臂安装孔及转向拉臂安装孔施加6个自由度约束。 图5-1 施加约束 5.2 三种工况下转向节加载方式 在不平路面、侧滑、紧急制动三种不同的工况下，转向节的加载方式如表5-1所示。 表5-1 加载方式凸台内侧面、凸台侧面、下支撑台凸台面、凸台侧面、下支撑台凸台半侧面上、下支撑台 工况加载方式不平路面工况 侧滑工况 紧急制动工况本设计中还有三种组合工况，其受力分析基本相似。加载时要注意载荷作用方向，避免所施加的载荷方向不对，影响分析的结果。5.3 各工况下转向节有限元静力分析 按照一定的步骤完成了转向节的约束和载荷的施加，最后进行求解。求解完成后进入Hyperview中观察转向节在所定的工况下变形，应力图等情况。在必要时，可以通过观察动态图来更加直观地看出转向节受力情况。5.3.1 不平路面工况静力分析对于不平路，根据受力分析，转向节力的施加过程如下图5-3所示。图5-3 施加力建立载荷步，求解，完成运算。计算完成后，进入Hyperview观察位移变形情况，如图所示。 图5-4 不平路面变形图从结果可以看出，转向节在不平路面工况下，转向节的最大变形量发生在凸台部分，其值为0.03mm，该转向节满足刚度要求。 图5-5 不平路面工况应力图从结果能够看出，在不平路面工况下，最大应力发生在转向节下摆臂凸台处，其最大应力值为87.8MPa，低于转向节的许用应力393MPa，满足强度要求。5.3.2 侧滑工况静力分析对于侧滑工况，现将计算所得的载荷施加在转向节上，施加载荷的过程与上文相同，施加载荷要注意各个载荷的方向，避免对结果产生影响。观察在侧滑工况下的位移变形图如5-6所示。 图5-6 侧滑工况变形图从图可以看出，转向节在侧滑工况下，转向节的最大变形量发生在凸台部分，其值为0.22mm，汽车在发生侧滑时，该转向节变形量小，满足刚度要求。观察在侧滑工况下的应力图如图5-7所示。图5-7 侧滑工况应力图从结果能够看出，在侧滑工况下，最大应力发生在制动凸耳连接处小孔，其最大应力值为377MPa，低于转向节的许用应力度393MPa，符合强度设计要求。5.3.3 紧急制动工况静力分析对于紧急制动工况，经过载荷计算，现将计算所得的载荷施加在转向节上，此工况多了一个凸台内侧壁的力，施加时要注意施加面的选取及载荷的方向确定。如图5-8所示。 图5-10 紧急制动变形图从结果可以看出，在紧急制动工况下，转向节的最大变形量发生在凸台部分，其值为0.015mm，变形量小，该转向节满足刚度要求。观察紧急制动工况下的应力分析图如图5-11所示。 图5-11 紧急制动应力图可以看出，在紧急制动工况下，最大应力发生在凸台、制动盘连接处与凸台连接位置过渡区，其最大应力值为36MPa，低于转向节的许用应力393MPa，符合强度设计要求。针对以上三种基本工况，列出三种工况下转向节变形和应力值的汇总表如表5-3所示。表5-3 三个工况的最大变形值和最大应力值工况最大变形值（mm）最大应力值（MPa）不平路面工况0.0387.8紧急制动工况0.22377侧滑工况0.01536从上表5-3可以得出结论，转向节处于不平路面工况时，最大应力值达到最大，其值为87.8MPa,仍小于转向节的许用应力393MPa，满足强度要求。转向节处于不平路面工况时，最大变形量达到最大，其值为0.22mm，变形量下，满足刚度要求。且在三种不同工况下，转向节的最大应力值主要发生在凸台处，和转向节在实际中发生断裂的位置相同，符合实际情况，说明设计的转向节比较准确。6 结束语本论文采用有限元法对东南菱帅轿车转向节进行静力学分析和自由模态分析。通过结果的分析对所设计的转向节一些结构进行适当调整和轻量化。6.1 论文总结根据汽车在行驶过程可能遇到的一些工况，本论文在静力学分析中，将其分为三种基本工况，经过可以得出在不同工况下的变形图和应力图。转向节最大变形量发生在不平路面工况，最大的变形值为0.02