（机械工程专业论文）斯太尔转向节有限元分析与制造工艺研究.pdf

摘要 摘要 目前，国外汽车行业广泛采用c a d c a e c a m 技术进行汽车转向系统的优化设 计，大大缩短了产品开发周期和制造周期，提高了产品的质量，降低了生产成本。 相比之下，我国汽车行业还有很大差距，参与国际竞争的能力还很弱。针对目前 国内汽车零部件行业以及国际汽车零部件工业的发展，结合我国实际情况，采取 有利措施。提高我国汽车零部件工业的竞争力本课题以我公司主导产品转向节 零件设计生产过程为研究对象，其主要研究内容如下： 首先，基于a n s y s 软件，详细介绍了其基本功能、基本建模方法针对转向 节的具体结构，详细分析了创建转向节有限元模型的具体建模方案与步骤。 其二，根据汽车行驶时车轮的受力状况，详细研究了转向节在3 种危险工况 下的受力情况，并分别给出了各种工况下的力、力矩计算公式据此找出了转向 节在各种工况下易损坏部位，并探讨了其易损坏的具体原因在此基础上，对转 向节结构在3 种危险工况下进行了有限元强度计算。 其三，详细研究模态分析理论基础，对汽车转向节进行了模态分析，计算并 提取了了转向节的振动特性，求出了固支状态下斯太尔转向节的前十阶固有振型 和频率，并对转向节产生的模态特性进行分析。 其四，针对转向节毛坯件的成型特性，制定了毛坯的制造方案，针对转向节 毛坯件的结构、性能特点进行机床加工工序研究，制定了机加工工序。然后。基 于p r o e 软件，详细研究了转向节零件的自动编程与仿真加工的工艺流程 最后，对转向节产品进行质量检验，详细研究了质量检验规程，并结合转向 节零件分析其质量检测的主要尺寸并对质量检测中所发现的产品尺寸误差的根 源进行了研究。 关键词：有限元分析：工艺设计；数控加工；转向节 v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e 蚴峨c 剧c a e c a mt c c i l i l o i o g i e sf o r 越n o m o t i v e s 妣r i i l gs y s t e m o p t i m i z a t i o nd e s i g l lw e r e 诵d e l yl l s e di nf o r e i g l la u t o m o f i v ei i l d u s 哦龉，恤c hg r e a t l y r e d u c en 位p e r i o d so f 伍ep r o d u nd e v e l o p m e n t 卸dm a i l u f k n 试n g 锄di n i p r o v ct h e p r o d i | c tq l l a l i t y ，托d u c et h ec o s to f p r o d u c t i o n i i lc o n 仃a s t ，c h 埘sa m o m o t i v e 砌u s 仃i e s s t i nl l a l v eab i gg a p ，t l l ea b i l i t yo fc o m p e t i t i o ni l li n t e m a t i o n a li sa l s ow e a k i nl i g h to f t l 他d o m e s t i ca u t op a r bi n d u s t f y w e l l 勰m ei i i 洄m t i o 豫ia 呦p a n si n d u s 时 d e v e l o p m e 嵋a n dc 伽b m i n g 、j v i t l lc l l i m i sa c t l l a ls i n j a t i o n p r o _ m e a 伽ss h o u l db e t a k 吼t oe n j l a l l c ea 血d sa u t op a r t si n d u s t 矽sc o m p e t i t i v e s s 1 1 l ep r o d u c t i o np r o o e s s o ft l l ek m l c l 【l ei i lm yc o m p 狮yi s t h er e s e a r c ho 巧e c t ，t l l el l l a i nr e s e a r c hc o n t 鲫t sa 笛f o l i o 、v s ： f i 嗽b a s e do nt l l ea n s y ss o 脚a m ，1 1 1 eb 鹳i cf l m c t i o 璐如d 也eb 勰i cm o d e l i n g m e m o d sw e 坞d e s c r i b e di nd 如l s 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w 陆c hw 勰u s c dt ot e s tt h em a i n 曲m 璐i o 惦o fk n u c k i ep a n s t i 砖c a l i s e so f e r r o ri nt h es i z et l l a td e t e c t c dw 鹞s t u d i e d k c yw o r 出 f i l l i t ec l 锄e n t 锄l y s i s ；p r o 淄sd e s i g i i ；c n cm a c h i 血g ；k n u c k l c v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 期：一! 堕_ ，。，! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：毛南咿导师签名：善抛日期：炒7 一，。 第l 章绪论 1 1 课题研发背景 第1 章绪论 汽车是重要的运输工具，是科学技术发展水平的标志。同时也是2 0 世纪最显 著的人文标志之一它改变了人们的生活方式、时空和价值观念。为人类社会的 物质财富和精神文明做出了巨大的贡献汽车是产业关联度高、规模效益明显、 资金和技术密集的重要产品，又是唯一兼有大批量、高精度、群众性消费特征的 全球化产业，也是唯一的一种零件以万计、产量以百万计、保有量以亿计，并惠 及全人类的高科技产品汽车工业由于其资金密集、技术密集、人才密集、综合 性强、经济效益高的特点，使得世界各个工业发达国家几乎无一例外地把汽车工 业作国民经济的支柱产业。汽车的研制、生产、销售、运营，与国民经济许多部 门都息息相关，对社会经济建设和科学技术发展起着重要的推动作用。 随着汽车工业的发展。汽车零部件需求旺盛，对质量要求日益严格而对于 高精度、形状复杂的零部件( 如汽车转向节) 传统的加工工艺已经不能满足汽车 发展的技术要求。对于汽车制造业，未来的竞争核心将是质量的竞争，如何实现 高质量、低成本、短周期的汽车生产，是赢得汽车市场的关键。根据重型汽车工 业投入高、批量大、价格低和技术要求高的特点，其零部件一般都结构复杂、制 造精度高，传统的加工方法往往很难满足要求。 斯太尔转向节是用于斯太尔系列汽车前轴总成上的关键零件。斯太尔系列汽 车是重汽集团全面引进奥地利的产品，其设计和制造技术具有世界领先水平，斯 太尔转向节是其关键部件之一，前期依赖进口为了减低产品成本和消化吸收国 外先进技术，山东光岳转向节总厂对该产品进行了技术攻关。该产品是斯太尔汽 车上的重要保安零件，该零件形状复杂，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，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因此对其机械性能和外形结 构要求严格。需要对其进行应力分析、应变分析及位移分析随着现代设计方法 山东大学硕士学位论文 的发展，利用有限元法进行机械零部件可靠性分析也成为现实。 本课题采用计算机建模并进行数值模拟和物理模拟实验研究相结合的方法， 对该零件成型工艺过程的各个参数进行了深入地研究，为实际生产提供依据，同 时也为类似的复杂枝权类零件的实际生产提供了借鉴 针对斯太尔载重车转向节的特点，采用热锻成型技术，开发毛坯生产工艺， 即下料、中频感应加热、复合挤压精密预制坯、开式模锻、冲孔和切飞边；然后 采用连续电炉及淬火液对转向节毛坯进行热处理，最后进行该零件机械加工。形 成成品。 1 2 转向节国内外研发现状 由于汽车转向节使用的重要性和形状的特殊性，国内外对转向节予以高度的 重视，对其成型工艺进行了深入的研究，取得了一定的研究成果。由于重型汽车 转向节的生产工艺属于专有技术，见诸文献的大都为轿车和轻型汽车的转向节， 对重型汽车转向节的报道很少。虽然重型汽车的形状与轻型汽车转向节和轿车转 向节的形状有所不同，但是它们都属于形状极不对称、界面变化剧烈和成形难度 大的复杂枝权类锻件，因此对轿车和轻型汽车转向节成形工艺的研究，可为重型 转向节的成形及生产研究提供一些有益的借鉴。 在国内，北京机电研究所、吉林工业大学、机械工业部第四设计院、中国重 汽公司、山东光岳转向节总厂、安庆百协锻造厂等单位对转向节的成形工艺进行 了比较深入研究。山东光岳转向节总厂蕈之社在文献 1 中提出n j l 0 2 0 汽车转向节 的半封闭挤压生产工艺，机械工业部第四设计院罗晴岚、罗延杰在文献 2 中提到 在6 3 m n 热模锻压力机生产线上采用墩粗、预挤、预锻、终锻工艺生产斯太尔汽车 转向节，并提出和分析了影响金属充满程度的因素；北京机电研究所杨青春等人 和中国重汽公司刘加臣、李相伟分别在文献 3 ， 4 和 5 中提出了斯太尔汽车转 向节的挤压一模锻复合成形生产工艺，并对该工艺进行了详细论述，其中挤压是 在封闭模膛中进行，预锻在半封闭的模膛中完成：济南汽车制造总厂李尊荣、付 翔在文献 6 中提出立式锻造成形斯太尔转向节；中国重汽公司傅翔在文献 7 中 提出了“闭式预锻，开式终锻”模锻工艺生产重型汽车转向节，采用这种方法可 降低下料精度，提高模具寿命和材料利用率；吉林工业大学高占民、杨慎华在文 2 第l 章绪论 献c 8 中提出辊锻一模锻复合工艺生产轻型车左转向节臂；东风汽车公司毛厚军在 文献 9 中提出采用少飞边锻造技术生产1 5 t 轻型车转向节，主要工序为在4 0 m n 热 模锻压力机上闭式锻造预锻件，然后再开式终锻成形，采用闭式锻造预成形，可 提高金属的流动能力和减少飞边金属的消耗。转向节分析方面，郑州轻工业学院 机电工程学院的韩国立等在文献中提到了概率有限元分析，并得出影响其可靠性 的主要因素是外负荷和弹性模量。河南师范学院的冯彬彩在文献中建立了斯太尔 转向节的实体模型，并对转向节的受力依照紧急制动工况、侧滑工况和越过不平 路面工况等三种危险工况进行强度分析。合肥工业大学机械与汽车工程学院的张 红旗等实用a n s y s 对客车转向节进行了受力分析。天津大学武民等在文献中利用 n 舛r a n p a r t a n 对农用车转向节结构进行了有限元计算，并对结构变化对应力分布 的影响进行了计算同济大学汽车学院的蔡智健等在文献中通过有限元建立某轿 车转向节模型。机械加工方面，佳木斯煤矿机械厂的张风岩等对转向节的机械加 工进行了有效的研究，极大提高了生产效率。这些研究工作对汽车转向节生产提 供了宝贵的经验。 优化设计是上世纪6 0 年代初发展起来的一门新学科，它是将最优化原理和计 算技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法“。利用这种 新的设计方法，人们就可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大 提高设计效率和质量因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域，它 己广泛应用于各个工业部门人们在做一切工作时，总希望所选用的方案是一切 可能方案中最好的，这就是最优化问题。最优化技术是研究和解决最优化问题的 一门学科，它是研究和解决如何在一切可能的方案中寻求最优化的方案 按处理最优化问题的数学方法的不同，最优化技术发展可分为两个阶段，第 二次世界大战以前，处理最优化问题的数学方法主要是古典的微分法和变分法“ 第二次世界大战中，由于军事上的需要产生了运筹学，提出了大量不能用上述古 典方法解决的最优化问题，从而产生了线性规划、非线性规划、动态规划等新的 方法此后。最优化的理论和方法逐渐得到丰富和发展特别是上世纪6 0 年代以 来，最优化技术发展迅速。成为一门新兴的学科，而且得到了广泛的应用“脚 我国开始从事这方面的研究与应用比较晚虽然在机械设计中采用最优化技 山东大学硕士学位论文 术的历史很短，但其进展的速度却是十分惊人的无论在机构综合、通用机械零 部件设计，还是在各种专业机械和工艺装备的设计都由于采用了最优化技术而取 得了显著成果我国汽车工业不断引进和采用新技术，特别是汽车c a d 、c a e 、c a l i 一体化的进步，这为我国汽车工业独立自主开发创造了良好的条件 1 3 转向节国内外生产现状 不同品牌和型号的汽车，其转向节的形状虽有所不同，但大体相似，均属于 复杂枝权类零件，因此其生产工艺具有通用性以新太尔转向节为例，该零件 形状极其复杂，其开发技术涉及三维c a d 技术、c 枷技术、c a e 技术及数控加工等多 项现代技术，原材料与成品件价格比大于1 ；1 5 。汽车转向节几何形状的高度复杂 性和使用性能的重要性。决定了其开发手段的先进性和生产技术的高新性由于 该产品大量的市场需求和可观的技术附加值，被技术先进的国家视为专有技术， 生产工艺方案很少公布。就目前所了解的工艺方案中，也各有利弊。生产工艺方 案要依零件的技术要求并结合总结的具体生产条件而制定。当然。无论选用哪种 方法，都要满足优质、高效、节约和经济的原则。转向节毛坯采用锻压成型工艺， 下面就对己有的几种方案进行简单的分析讨论“ ( 1 ) 半固态成型工艺。在封闭的模腔内注入半固态金属，在高压下完成成型过 程。其工艺路线为： 备料一中频感应搅拌加热一半固态成型 半固态成型工艺的优点是在一个工步内即可做出形状复杂和尺寸精确的汽车 转向节，机械加工余量小，材料利用率高，加工成形件质量轻，无空洞性缺陷和 夹杂物缺陷。但是采用这种方法生产的汽车转向节成本高，冲击韧性和抗弯强度 较差，使用寿命和安全可靠性不及锻件该工艺现处于研究和小批量生产阶段。 ( 2 ) 劈爪成形工艺。整个成形工艺主要由自由锻制坯和锤上锻造成形组成，其 工艺路线为： 下科一反射炉加热一圆料压扁一劈爪一拔长左爪一锤上锻造成形 该工艺的主要缺点是需两次加热、锻件精度差、质量不稳定、材料消耗和能 耗大，劳动条件差。 ( 3 ) 制坯弯曲终锻工艺目前，该类锻件常规的锻造工艺过程为制坯、预锻和 第1 章绪论 终锻。国外在热模锻压力机上锻造汽车转向节，其工艺路线为： 下料一加热一开式墩挤制坯一去连皮一弯曲一终锻一切边 该工艺的优点是能够实现锻件的成形，制件组织性能能够得到改善；缺点是 工序多、能耗大、材料利用率低、锻件成本高、金属流线不完整。 ( 4 ) 半封闭挤压工艺。半封闭挤压工艺是随着闭式挤压工艺的发展而刚刚兴起 的，兼有闭式锻造和开式模锻的优点，其工艺路线为： 下料一中频感应加热一墩粗( 去除氧化皮) 一半封闭挤压一终锻一切边一校正 一检验。 。 该方案采用半封闭挤压工艺，为终锻提供了稳定可靠的预制坯、保证了锻件 质量、尺寸精度高、表面质量好、金属纤维流向合理，其工艺较常规工艺先进， 但预制坯工步较困难、材料利用率低 ( 5 ) 两步法闭塞侧弯挤压精密成形工艺。该工艺自2 0 世纪7 0 年代以来，在一些 工业发达国家逐步研制和推广应用，这是一项新型的模锻工艺一，可分凹模闭塞 锻造技术，它属于精密成形技术同开式模锻相比，闭塞锻造在很大程度上可提 高金属流动性、材料的利用率、锻件精度和产品的机械性能其工艺路线为： 下料一中频感应加热一在可分凹模中闭塞侧弯挤压精密预制坯一开式终锻成 形一冲孔和切飞边 该方案显著提高了材料的利用率，金属流线完整，尺寸精度高，制品的机械 性能和抗腐蚀性明显优于传统方法的成形件；但是采用这种方法，要求模具材料 具有很好的韧性、耐高温、耐磨损性能，另外该工艺需要采用专用双动压力机 热处理采用连续式加热炉进行加热，然后采用专用淬火液进行淬火处理 机械加工一般采用的工艺路线为： 粗铣杆端面一精铣杆端面一车削外圆一粗车盘部一钻盘孔一镗2 一巾3 0 孔一 钻、镗主销孔一铣上耳外侧面，精镗主销孔，刮下耳里档面一钻、镗、铣a b s 孔一 钻、攻上耳外侧面四螺纹一钻、攻上耳上平面两孔螺纹一钻肋上两孔并攻丝一压 铰衬套一车杆螺纹一精磨大小轴承轴径一钻杆端销孔。 到目前为止，我国制造行业大都延续传统的开发手段与生产方式，生产技术 相当于德国和日本2 0 世纪6 0 年代的水平，与飞速发展的汽车工业极不适应，主要 山东大学硕士学位论文 表现在现行生产工艺的落后和对复杂成形件的开发能力差上：对于现行生产 中绝大多数成形件，一直采用开式模锻生产工艺，难以达到净形制造和少无切削； 而对于诸如汽车转向节这一类技术含量高、技术附加值大的复杂成形件的精密成 形尚不具备自主开发能力，一直依靠从国外高价进口。 随着经济全球化，汽车行业竞争日益激烈，价格的竞争己经由整车价格的竞 争发展到零部件价格的竞争。在这种情况下，如何生产出价格低廉、品质优良的 汽车零部件，已成为企业在激烈竞争中保持不败的至关重要的一环。 1 4 课题来源及主要研究内容 1 。4 ，1 课题来源 本课题来源于山东光岳转向节总厂“斯太尔转向节国产化技术改造二期项目” 本项目完成后，山东光岳转向节总厂将成为斯太尔转向节最大供应商，产品质量将 符合t s l 6 9 4 9 质量认证标准，同时为其它系列的转向节生产提供技术平台 1 4 2 主要研究内容 本课题针对山东光岳转向节总厂主导产品“新太尔转向节”( 以下简称“转 向节”) 实际生产为背景，以p r o e 、a n s y s 软件为基础，对该产品的设计和制造 过程迸行了系统研究，具体研究内容： 1 ) 详细研究了转向节3 种工况下的受力状况，给出了各种工况下力、力矩的 计算公式寻找转向节在各种工况下易损坏部位，并探讨其易损坏的原因。应用 a n s y s 有限元分析软件，建立转向节有限元模型，对转向节结构在3 种危险工况下 进行有限元模拟计算 2 ) 对转向节进行模态分析，计算转向节的振动特性求出固支状态下斯太 尔转向节的前十阶固有振型和频率，并对转向节产生的激励进行分析，为有效避 免结构颤振典定基础 3 ) 针对转向节毛坯件的成型特性，进行毛坯锻造模具设计，并对转向节毛 坯锻造工艺和机械加工工艺进行设计，然后，研究数控加工的工艺流程 4 ) 对产品进行跟踪监测，并对可能出现的误差进行分析和预防 6 第2 章斯太尔转向节有限元模型的建立 第2 章斯太尔转向节有限元模型的建立 2 1 引言 在建立有限元模型之前，用户需要对有限元模型进行总体规划，以确定如何 对工程实际问题进行数值模拟，根据实际问题分析目标，对实际问题做出合理简 化，选择合适的单元类型，确定有限元网格密度，还要对计算费用( c p u 时间) 和 计算结果的精度这一矛盾进行平衡考虑。 有限元模型可分为二维模型和三维模型两种。有限元模型主要由点单元，线 单元、面单元及体单元组成线模型包括了二维和三维梁，杆或管结构；二维实 体模型用来分析平面应力问题( 薄平板结构) 、平面应变问题( 等截面的“无限长” 结构) 或轴对称问题；三维壳模型可用于描述空间薄壁结构；三维体模型用于分析 三维空间中截面积不等、也非轴对称的大体积结构。 根据有限元模型有无中间结点，可以将a n s y s 单元库中的所有单元划分为线 性单元( 无中间结点) 和二次单元( 带中中间结点) 在热、电磁等大多数非结构分 析中，线性单元分析结果几乎与二次单元分析结果样好，而且所用的求解时间 较少。结构分析中若使用退化的单元形式( 二维三角形单元、楔形单元或三维四面 体单元) ，二次单元的分析结果通常比线性单元的分析结果要好，而且求解时间更 少无论是线性单元还是二次单元都有其优缺点，所以单元选择原则是在较少的 计算时间内，获得较高的计算精度。 2 2a n s y s 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a s i ( a ，英国p a e e c ，法国s y s t u s ，美国a b q u s 、a d i n a 、 n s y s 、b e r s a f e 、b o s o r 、 c 0 s m o s 、i d a s 等公司均有成熟的产品o 】 a n s y s 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a n s y s 公司开发， 了 山东大学硕士学位论文 它具有与p r o ，e n g i n r 、n a s n u n 、i d e a s 、a u t o c a d 等多数c a d 软件的数据 接口，可以实现数据共享和交换，是现代产品设计中的高级分析工具之一a n s y s 软件可广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电 子、土木工程、水利等众多工业领域及科学研究当中。该软件可在大多数计算机 及操作系统( 如、 d n n o w s ，u n i x ) 中运行。在p c 机、工作站、大型机和巨型机的 所有硬件平台上，a n s y s 数据文件均可兼容 n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 l 质量认证的大型分析设计类软件，是美国 机械工程师协会、美国核安全局( n q a ) 及近2 0 种专业技术协会认证的标准分析 软件。在国内它第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院1 7 个部委推广使用。”因此，经过筛选，我们选择了a n s y s 9 o a n s y s 9 o 程序包括前处理器、求解器、后处理器和几个辅助处理器( 如设计 优化器) ，功能涵盖结构、流体、热和电磁4 种场的计算。在有限元分析领域， a n s y s 一直致力于上述4 种场的计算“”。 a n s y s 9 o 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1 0 0 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 a n s y s 9 o 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，a n s y s9 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。 l 第2 章斯太尔转向节有限元模型的建立 a n s y s 9 o 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。 我们在这里主要利用结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析和动 力学分析功能 ( 1 ) 结构静力分析 用来求解外载萄引起的位移、应力和力。当受力和阻尼对结构静力分析尤其 适用。a n s y s9 o 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，非线性分析，如塑 性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析 ( z ) 结构动力学分析 用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分 析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。a n s y s 可进行的结构 动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响 应分析。 ( 3 ) 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例地变化。a n s y s 程序可 求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性 ( 4 ) 动力学分析 a n s y s9 0 可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时， 可使用动力学分析来分析复杂的物体在空间中的运动特性，并确定结构中由此产 生的应力、应变和变形 有限元分析是利用数学逼近的方法对真实物理系统( 几何和载荷状况) 进行模 拟的一种有效方法，它通过利用简单而又相互作用的基本元素一即单元，实现了 用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统 2 3 创建有限元模型主要步骤 有限元分析的第一步是建立有限元模型 9 山东大学硕士学位论文 简单的说，有限元模型是真实系统理想化的数学抽象它由一些简单形状的 单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。 其中节点表示了空间中坐标位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。 单元则表示了一组节点自由度问相互作用的数值、矩阵描述( 称为剐度或系数 矩阵) 单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类 每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的。化为一个整体，单元形成 了整体结构的数学模型。在f 队有限元分析中。单元分为很多类型，不同的单元 类型确定了不同的节点自由度( d o f ) 和不同的单元形函数，在不同的分析中需要进 行最恰当的选择。才可以获得最接近实际情况的结果 在选择了某种单元类型时，也就十分确定地选择并接受该种单元类型所假定 的单元形函数。在选定单元类型并随之确定了形函数的情况下，必须确保分析时 有足够数量的单元和节点来精确描述所要求解的问题。 在a n s y s 中，提供了很多可供选择的单元类型，而相应的节点自由度和单元 形函数都将被自动设定，在正确的设定了边界条件后，所有的力学方程和刚度短 阵也将被自动建立。并最终完成求解。 在一个完整的工程分析中，我们应该有对工程进行有限元模拟的整套方案， 包括分析的目标、各种分析因素的考虑、分析领域选择、使用的有限元单元类型 选择、线性非线性的确定等，到最终使用的有限元分析工具a n s y s 9 0 进行分析 和获得分析报告仅仅是其中的一个部分其主要步骤是：创建有限元模型、对有 限元模型求解、查看计算结果 有限元分析的第二步是对有限元模型进行求解 有限元求解的过程就是解矩阵方程的过程，从输出窗口中可以查看求解过程 的信息，根据计算工程的大小，节点的多少，这个过程可能会很快，也可能会是 几天甚至几十天。如果求解顺利完成，将弹出一个黄色的i n f o r 舱t i o n 加对话框， 显示“s o l u t i o ni sd 咄”表示求解完成求解过程的快慢，与模型的复杂性和计 算机的配置状况相关 有限元分析的第三步是查看计算结果。 i o 第2 章斯太尔转向节有限元模型的建立 所有的有限元分析的最终目的都是要查看结果，并对结果进行进一步的分析 讨论。a n s y s 出色的后处理系统为此提供了方便，不仅可以显示分析结果还可表 示其检验结果 查看结果也称为后处理，a n s y s 的后处理功能是非常强大的，它提供了多 种查看结果的渠道，用户既可以通过颜色云图直观地显示结果，也可以通过曲线 来描述我们关心的数值变化，也可以直接将结果数据输出到文本文件中。a n s y s 还提供了生成动画的后处理功能，用户可以通过动画来演示和重现模型变形或者 破坏的过程 检验分析后的结果以及对误差的估计，在有限元分析中也是非常重要的。往 往会因为建模或加载设置时一个小小的疏漏，导致整个结果的不同，甚至是得到 错误结论。对结果的验证，一般需要在开始分析之前，就能够通过经验或者试验 等方式对结果有粗略的估计，如果结果与预期的不一样，应该仔细研究原因 a n s y s 能够提供的仅仅是计算过程本身所产生的可能的误差，包括能量百分 比误差、单元应力偏差、单元能量误差、热流密度偏差等有限信息，更多时候还 要用户根据a n s y s 提供的信息和实际情况进行更准确的分析 2 4 创建有限元模型实例 创建有限元模型，是进行有限元分析的第一步，也是最关键的一步，有限元 模型质量的高低，决定着分析结果精确度的高低。a n s y s 对于几何模型的创建有3 种方法：实体建模方法；直接建模方法；输入计算机辅助设计系统中创建 的模型。 所有有限元分析都是从创建模型开始的分析的相关背景、物理模型需要根 据实际工作条件而定，本节以建立转向节有限元模型为例，对从几何模型到创建 有限元模型，需要遵循的几个关键步骤进行分析。 ( 1 ) 创建或读入几何模型 通过使用a n s y s 9 0 提供的基本元素点、线、面、体等，构建实际物体或通过 分析部分模型的几何形状，这个形状既可以是完全三维的，也可以是简化了的 山东大学硕士学位论文 例如用一个面代替一块薄壳，用一条线代替一根梁。另外，a n s y s 9 o 提供了与其 他c a d 软件传递数据的专用接口和一个i g e s 通用接口，可以非常方便地从很多 c a d 软件中直接读取相应的几何模型，避免设计分析中建模的重复性操作如图 2 1 所示印为将转向节几何模型通过i g s 接口导入到a n s y s 后的模型。该模型 是用p r o e 建立，将p r o e 模型通过i g s 接口软件导入a n s y s 中，转换成功后。 a n s y s 窗口中出现转换后的模型通过检查，转换后的a n s y s 模型与原来的 p r o e 模型完全一致，没有出现任何结构信息的丢失，说明导入后的模型是可靠 的。 圈2 1 导入 n s y s 后的几何模型图 ( 2 ) 定义材料属性 对于分析的对象，在不同类型的分析中，需要给定材科的属性，也就是给出 材料的各种力学，电磁学等参数对于一般静力学的分析，最基本的各向同性材 料参数包括杨氏模量、泊松比、材料密度等通过材料模型属性设置对话框进行 设置 1 2 第2 章斯太尔转向节有限元模型的建立 通过对话框中进行设置，可以建立各种线性、非线性的材料模型。选择需要 设置的材料类型后，双击鼠标按键，进一步设置材料的参数。对于转向节而言， 其材料为4 0 c r ，其杨氏模量e = 2 1 1 g p a ，泊松比盯= o 3 ，密度p = 7 8 e 3 k 咖3 。图 2 2 所示为转向节属性设置对话框。 图2 2 转向节属性设置对话框图 ( 3 ) 网格单元划分 一个几何模型仅仅表示了需要分析物体的几何尺寸、形状，若想实施进一步 分析，还要通过划分单元格才能进行有限元分析。划分单元格时，不仅需要选择 划分单元格的方法，还需要选择划分单元格的形状、类型，同时还要根据分析精 度，设定不同的单元格密度。划分单元格的方法主要有映射、扫掠、混合网格划 分和自由网格划分等方法。单元格类型主要有四面体单元格和六面体单元格。本 文针对转向节零件结构的复杂性，和各种网格划分方法的特点及要求，可以判断 本结构难以实现映射和扫掠网格划分法。在此采用了四面体自由网格划分的方法， 如图2 3 所示，为网格划分后的转向节有限元模型。 ( 4 ) 施加载荷 这里说的“载荷”是一个广义的载荷，包括了施加在物体上的边界条件、初 始条件等，例如加在模型上的各种载荷、固定支撑等。如果是动力学分析，还包 山东大学硕士学位论文 括速度、加速度等。如果是热或流体分析。热源、冷源、层流、湍流等都是施加 到模型上的载荷。这些载荷应该能够最直接地反映出物体所处的环境与物体当前 的状态。本文以斯太尔侧滑工况为例，具体研究了如何对转向节施加载荷。首先， 对转向节进行受力分析，除了转向节大轴颈处受到轮胎经轴承传递过来的法向反 力和切向反力之外，在侧滑工况时，必须加上由侧向力产生的力矩，由此将侧向 力平移到转向节后应附加一力矩m ，作用点位于轴颈上的大轴承处。其次需要近 似模拟原结构的支撑方式，本文将其简化为对转向节上下耳的固定支撑，即对转 向节上、下球销进行位移约束。其约束条件及承载状况如图2 4 所示 图2 3 转向节自由网格划分模型图 ( 5 ) 设置载荷及求解控制选项 n s y s 9 o 计算中、允许载荷按照时间历程缓慢递增地施加到模型上，也可以 是阶跃式地施加，还可以通过设置载荷步，来模拟载荷加载的先后。以及卸载等 实际情况另外。求解过程实际上是数值求解方程的过程，a n s y s 提供了很多求 h 第2 章斯太尔转向节有限元模型的建立 解算法供选择，用户可以针对不同的问题进行相应的选取。a n s y s 还提供了对求 解过程的控制选项，例如用户可以设置危险位置网格的自动加密。可以设置在大 步长求解不收敛的时候，自动划分加载步长，以及设置每步长收敛后输出结果文 件等，这些设置的选项有利于对分析结果进行有效的评价。 2 5 本章小结 图2 - 4 转向节承载状况图 本章以大型有限元分析软件a n s y s 为基础，详细介绍了a n s y s 软件的基本功 能；研究讨论了在a n s y s 中创建有限元模型的基本方法；针对转向节的具体结构， 详细分析了创建转向节有限元模型的具体步骤确定了采用三维绘图软件p r o e 进行建模，并转化为i g s 格式后导入a n s y s 中，选取工件的单元类型，设置工件 的材料属性。采用了四面体单元对转向节零件进行了自由网格划分，并模拟了汽 车在侧滑工况下的受力状况及其位移约束条件，最终建立了合理的转向节有限元 模性 第3 章斯太尔转向节结构强度分析 第3 章斯太尔转向节结构强度分析 3 。1 引言 转向节是车辆转向系的重要部件之一，运行工况比较复杂，使用是否安全可 靠，直接危及人、车安全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 万小时以上转向节承受转向轮的负载，以及路面传递来的冲击力， 同时还传递来自转向器的转向力实现对汽车行使方向的控制，因此，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，应力、位移和应变分析是转 向节设计过程中一个非常重要的环节 作者根据设计标准，对转向节的受力情况，按三种危险工况进行静力学分析， 即：紧急制动工况、便4 滑工况( 向左侧滑对) 和越过不平路面工况。应用上一章所 建立的转向节有限元模型，具体模拟、分析转向节在三种典型工况情况下静力学 特性，为转向节的设计制造提供可靠的理论依据 3 2 转向节的易损坏部位分析 3 2 1 转向节主要易损坏部位分析 转向节包括转向节轴和转向节臂转向节一般采用锻造毛坯件，经机械加工 后成为一个复杂的空闻受力件转向节圆锥轴上装有一对单列圆锥滚子轴承，使 转向节与前轮毂、前轮制动器相连其圆锥轴端采用螺母紧固轴承与轮毅，这样 就能使转向节承受来自地面的支承力、滚动阻力和制动力。其上端球销通过纵向 拉力杆与车架连接于一体，并与整车相连，从而约束了转向节沿x 、y 方向的位移 和转动，使其仅能沿z 方向移动和旋转。转向节的转向节臂上有两个球头锖分别 与转向纵拉杆、横拉杆相连以保证左右两轮同步转向由此可见，转向节承受着 车辆转向系统较大的负荷转向节在使用的过程中。曾出现转向节轴与转向节臂 的根部开裂现象，因此对转向节进行强度校核是非常必要的 1 7 山东大学硕士学位论文 轴承轴颈的磨损分析： 转向节外轴颈的磨损量一般在0 0 5 0 1 2 毫米之间，其最大磨损量为o 1 8 毫米，磨损后呈椭圆形，短轴在垂直方向左转向节磨损较右转向节大；内轴磨 损一般在o 0 3 o 0 8 毫米，最大磨损量为o 1 5 毫米，磨损后呈椭圆形，水平方 向磨损为o 0 8 o 1 l 毫米，垂直方向磨损为o 1 l o 1 5 毫米，短轴在垂直方向。 左转向节磨损较右转向节大，左、右转向节的磨损量如表3 一l 所列。 表3 一l 转向节轴承轴颈磨损量 = ： 最大磨损量( m ) 名称及位置、 垂直o 1 5 内 水平 0 1 1 左转向节 垂直o 1 8 外 水平 o 1 3 垂直o 1 0 内 水平 o 0 8 右转向节 垂直 o 1 6 外 水平o 1 5 主销轴孔磨损分析： 转向节的主销轴孔磨损量一般为o 1 5 o 5 毫米，最大磨损量为1 1 2 毫米 磨损后孔呈椭圆形，长轴在沿转向节轴线方向下主销轴孔磨损较上主销轴孔大； 右转向节磨损较左转向节大，如表3 - 2 所列；转向节止销轴孔内端面磨损。一般 在o 1 0 0 5 0 毫米，沿转向节指轴线方向的磨损量大于其垂直方向。左转向节磨 损大于右转向节。转向节主销轴孔磨损量，见表3 2 所示。 转向节裂纹分析： 转向节有裂纹的一般占1 5 2 0 。裂纹绝大部分出现在转向节指轴根部， 裂纹一般沿圆周方向分布极个别转向节裂纹出