（车辆工程专业论文）基于热—结构耦合的液压动力转向器结构强度研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 采用有限单元法对某循环球式液压动力转向器进行了结构强度 的研究。首先将转向器的几何模型离散化，并根据实际的加载和约束 情况施加相应的边界条件，建立转向器的有限元模型，并将其导入到 有限元软件中。对转向器在内部压力分别为i o m p a 、2 0 m p a 的工况下 的强度和刚度进行计算。参照q c t 5 2 9 - 2 0 0 0 标准对转向器进行台架 试验。通过将有限元的计算结果和试验结果进行对比，验证了转向器 有限元模型的有效性。由于液压油长时间的流动会使转向器温度升 高，所以对转向器进行热力耦合分析，重点考察了温度对转向器各零 部件刚度的影响。结果显示温度对转向器各零部件的变形有一定影 响，但不会影响到转向器的性能。 通过有限元分析结果和台架试验结果对比分析，得出结论有限元 分析方法在一定程度上对转向器的性能研究是可行的。在此基础上提 出了先用有限元分析转向器的危险状态，再用试验进行分析，以找出 出现问题的状态，最后用有限元法分析该状态以找到解决问题的途径 这样的分析方法。该分析方法的优点在于可以分析转向器内部各零件 的配合、变形及应力情况，这砦都是在台架试验上看不出来的，因而 能够缩短产品设计和分析的周期、降低设计成本、增加产品的可靠性 鱼竺 时。 关键字：循环球式，转阀，动力转向器，有限元，热应力 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a l y z i n gt h es t r u c t u r ep e r f o r m a n c eo ft h er e c i r c u l a t i n gb a l la n d h y d r a u l i cp r e s s u r ep o w e rs t e e r i n gb yf e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) f i r s t l y , d i s p e r s et h es t e e r i n gm o d e la n da d db o u n d a r yc o n d i t i o nt ot h e m o d e la c c o r d i n gt ot h ea c t u a ll o a d i n gs i t u a t i o na n dd o fc o n s t r a i n t s s o t h ef em o d e li ss e tu p ，t h e ni m p u tt h ef em o d e lt oa n s y st oc a l c u l a t e t h ei n t e n s i t ya n d r i g i d i t yo fp a r t so ft h es t e e r i n gw h e np r e s s u r ei s1 0 m p a a n d2 0 m p ar e s p e c t i v e d ob e n c ht e s tf o r t h e s t e e r i n gr e f e r r i n gt o q c t 52 9 2 0 0 0 a n dc o m p a r et h er e s u l t sf r o mf e aa n db e n c ht e s t i t p r o v e dt h ef em o d e li sr i g h t t h et e m p e r a t u r eo ft h es t e e r i n gw i l lr i s e b e c a u s eo ft h ef l u e n to i l s os t u d yt h et h e r m a l s t r e s sc o u p l i n ga n a l y s i so f t h es t e e r i n g t h er e s u l ts h o w st h a tt e m p e r a t u r eh a sg r e a ti n f l u e n c et ot h e r i g i d i t yo fp a r t s t h ec o n c l u s i o nt h a tf e ai sf e a s i b l ec a nb ef o u n dt h r o u g ht h e c o n t r a s tb e t w e e nt h er e s u l to ff e aa n dt h er e s u l to fb e n c ht e s t b a s e do n t h ec o n c l u s i o nan e wa n a l y s i sm e t h o dc a nb ef o u n d ：f i r s t ，a n a l y z et h e d a n g e r o u s s t a t eo ft h es t e e r i n gb yf e a t h e nc h e c kt h es t e e r i n gb yb e n c h t e s tt of i n dt h es t a t ew i t hp r o b l e m l a s t l y , a n a l y z et h es t a t eb yf e at o f i n dt h ew a yt os o l v et h ep r o b l e m t h en e w a n a l y s i sm e t h o dc a ng e tt h e s i m a t i o nb e t w e e n p a r t s ，d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s so fp a r t sw h i c hc a nn o tb e 江苏大学硕士学位论文 g o tf r o mt h eb e n c ht e s t s oi sc a ns a v et h ep e r i o d so fd e s i g n i n ga n d a n a l y z i n gp r o d u c t s ，c u tt h ed e s i g n i n gc o s t ，e n h a n c er e l i a b i l i t yo fp r o d u c t s a n ds oo n k e yw o r d s ：r e c i r c u l a t i n gb a l ls t y l e ，d i s cv a l v e ，p o w e rs t e e r i n g ，f i n i t e e l e m e n t ，t h e r m a l s t r e s s n l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：薹 沙u 7 ) 年占月步日 指导教师签名： 年月日 独创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做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结果由本人承担。 学位论文作者签名：翼 力司 日期：沙p7 年占月莎e l 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1转向器的国内外应用及研究现状 随着汽车工业的迅速发展，作为汽车关键部件之一的转向系统也得到相应的 发展，有资料显示，国外很多国家的转向器厂，都己发展成为大规模生产的专业 厂，年产超过百万台。 改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。转向器的生产也基本已形成了专业 化、系列化生产的局面【2 1 。 现代汽车转向器向着能适应汽车高速行驶需要、安全、轻便、低成本、低油 耗、大批量专业化生产的方向发展。 转向装置在发展的过程中，结构也发生很大变化。汽车转向器的结构很多， 从目前使用的普遍程度来看，主要转向器类型有4 种：齿轮齿条式、循环球齿条 齿扇式、循环球曲柄指销式和蜗杆曲柄指销式【4 】。 在世界范围内，循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已成为当今世界汽车 上主要的两种转向器，而循环球曲柄指销式和蜗杆曲柄指销式转向器正在逐步被 淘汰。在小客车上美国和同本重点发展循环球式转向器，比率都达到或超过9 0 ； 西欧则重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过5 0 。由于齿轮齿条式转向器的种 种优点，在小型车上的应用得到突飞猛进的发展，而大型车辆则以循环球式转向 器为主要结构。 随着现代社会的发展，大型的工程建设越来越多，对工程车辆的需求越来越 多，各种工程车辆的重量也越来越大，当前轴负荷增加到一定程度后，靠人力转 动转向轮就很吃力，为使驾驶员操纵轻便和提高车辆的机动性，最有效的方法就 是在车辆转向系统中加装转向动力装置，借助于车辆发动机的动力驱动油泵，空 气压缩机和发电机等，以液力，气力增大驾驶员操纵前轮转向的力矩，使驾驶员可 以轻便灵活地操纵车辆转向，减轻了劳动强度，提高了行驶安全性液压动力转向技 术随之在重型车辆上得到发展( 切。由于动力转向器具有转向轻便，转向灵敏， 提高行驶安全性的优点，动力转向器也被广泛使用在中高档轿车上。按传能介质 不同，转向加力装置有气压式和液压式两种。因为气压系统的工作压力较低，其 部件尺寸过于庞大。而液压转向加力装置的工作压力可高达i o m p 以上，部件尺 江苏大学硕士学位论文 寸很小，并且液压系统工作时无噪声，工作滞后时间短，而且能吸收来自于不平 路面的冲击。所以，液压动力转向器已在各级汽车上获得广泛应用。 目f j ，有限元的分析方法已经广泛应用在工业的各个领域，而对于液压动力 转向器的研究主要侧重于液压系统的动态特性对转向性能的影响。这种研究方法 主要足利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具箱建立液压系统的数学模型，对液压转向 系统的静态特性与动态特性进行分析，利用传递函数法对液压转向系统的结果特 性进行分析，最终得到结构参数对液压转向系统性能的影响规律。这些研究是大 多建立在转向器相对理想的前提下，其实液压转向器在实际的工作过程中要承受 很大的压力，在高压下转向器强度能否满足要求，高压会使转向器内部各零部件 产生变形，这些变形是否对转向器内部配合部件的运转产生影响，以及转向器液 压油长时间运转而产生的高温使转向器零部件产生的变形是否影响转向器的性 能，这些都是本文考虑的问题。 1 2 选题的意义 在大客车、重型汽车等较大载重的汽车中，往往采用动力转向器作为转动汽 车方向的手段，它采取液压转向加力装置，使驾驶员操纵更加轻松自如，并增加 汽车行驶的安全性，而液压元件及系统常常工作在高速度，高压力或恶劣环境下， 所以对汽车动力转向器的性能测试非常重要。评价液压系统能否正常工作和各项 性能指标时，除了要求液压系统必须完成规定的动作循环外，还要求液压系统必 须有良好的动静态性能。在许多工程技术应用场合，如果设计人员在设计阶段就 考虑到系统的动静态特性，便可大大缩短系统或元件的设计周期，避免因重复试 验及加工带来的昂贵费用，且可及时认识该系统在动念特性方面存在的薄弱环 节，并加以消除，提高企业的设计水平，增强企业的市场竞争力。通过对液压系 统动静态分析研究，了解系统的动静态品质参数变化，进而改进获得更好的工作 性能。因此，对液压系统进行动静态研究有十分重要的意义。 而目前国内许多汽车零部件生产厂家和整车生产厂家对动力转向器的测试 还停留在手工测试和台架测试阶段，大多靠操作人员的手感，台架试验的输出数 据来评定动力转向器的性能。这种测试可以直接的看出转向器的动态性能，但如 果测试结果显示转向器存在问题时，并不能直接看出问题出现的位置以及出现问 2 江苏大学硕士学位论文 题的原因。而且该测试要在转向器完全制造出来后才可以进行。 本文将采用有限单元法对转向器进行分析。有限单元法是利用电子计算机的 一种数值分析的方法。几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可以用它求 得满意的数值结果。使用该方法进行分析可以很清楚的看出转向器内部各零 件的应力和变形状况，及其配合状态，例如，转阀处阀芯阀套的配合情况，如果 阀j 签或者阀套的变形过大会使两者间摩擦增大，导致使左打和右打方向盘时的手 力输出不一致。此外，有限元分析可以方便的模拟一些在台架试验上不易模拟的 实际工况，例如转向器零部件在高温下的变形情况。从而可以迅速的看出转向器 的问题所在。另外，在产品设计和改进的初期，甚至不用制造出转向器的成品就 可以对转向器进行测试，可以有效的缩短转向器的设计和改进周期，减少设计和 改进的成本。 1 3 本文研究的主要内容 本文的研究对象是某循环球式液压动力转向器，并且是转阀式整体动力转向 器。 1 、液压式转向器在工作时会承受很大的压力，在高压下转向器的各个零部 件会产生变形和受到较大的应力。因此本文要使用有限元的方法研究在高压下， 转向器的各个零部件是否能满足强度要求，零部件的变形是否会影响转向器的正 常运转及其性能参数。参考国家相关标准对动力转向器进行台架试验。并将运用 有限元方法计算的结果和转向器台架试验结果进行对比分析，观察有限元分析的 结果和台架试验结果是否一致，以证明有限元方法分析问题是否可行。 2 、转向器长时间的工作会使液压油的温度升高，温度的升高会使转向器的 零部件产生变形，比较温度升高和未升高时各零部件的变形状况，检查该变形是 否会对转向器的性能产生影响。 3 江苏大学硕士学位论文 第二章转阀式液压动力转向器的工作原理 2 1转向器的基本介绍 汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转 向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使 汽车转向桥上的车轮相对于汽车纵轴线偏转一定角度在汽车直线行驶时，往往转 向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员 也可利用这套机构使汽车恢复原来的行驶方向。这套用来改变或恢复汽车行驶方 向的专设机构就是汽车的转向系。其作用是：使汽车在行驶过程中能按照驾驶员 的操纵要求而适时的改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击、汽车意外 偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车稳定的行驶。故转向系统的结 构、性能和转向轮定位、轮胎特性、悬架以及汽车总布置等因素综合在一起，直 接影响着汽车的操纵稳定性和安全性【4 l 【7 1 。 汽车转向系可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。机械 转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有的传力件都是机械的。机械转向 系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。其中机械转向器是将 司机对转向盘的转动变为转向摇臂的摆动，并按一定的角传动比和力传动比进行 传递的机构。而动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向 系。在正常情况下，汽车转向所需的能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部 分是由发动机通过转向加力装置提供的。但在转向加力装置失效时，一般还应当 能由驾驶员独立承担汽车转向任务。因此，动力转向系是在机械转向系的基础上 加设一套转向加力装置而形成的【4 】【1 0 1 。 动力转向器是汽车动力转向系的重要组成部件，它主要由转向控制阀、转向 动力缸及机械转向器组成。 本文研究的动力转向器，在布置型式上是整体式的，转向控制阀采用的是转 阀，机械部分采用的是循环球一齿条齿扇式。 动力转向器的转向控制阀有滑阀式和转阀式两种。阀体沿轴向移动来控制油 液流量的转向控制阀，称为滑阀式转向控制阀。阀体绕其圆心转动来控制油液流 4 江苏大学硕士学位论文 量的转向控制阀称为转阀式转向控制阀( 如图2 3 ) 。 转向控制阀可以布置在方向盘与动力缸之间的任何位置上，目前常用的主要 是整体式和分开式。本文中的转向器是整体式的，如图2 1 ( b ) ： 整体式动力转向器的介绍： 镀碰镀 - b c 图2 1 整体式动力转向器的布置型式 f i g2 1t h ed i s p o s a lo fi n t e g r a t i v ep o w e rs t e e r i n g 这种布置型式是转向动力缸以及控制阀制作在一个整体内，图2 1 中a ，b ， c 三图分别表示控制阀在活塞内，控制阀在转向器上端，控制阀在转向器上端但 与转向轴平行装置。整体式动力转向器有结构紧凑，管路较短，易于布置等优点 所以广泛应用在国内外汽车上。但也有拆装困难，主要零件都承受压力而必须加 大尺寸，对转向器的密封性能要求高的缺点，所以在装在质量大的汽车上不易采 用否则会给设计和制造带来困难。目前多用于前轴载荷小于1 5 0 k n 的载重汽车 和高级轿车上。 转向器按照传动副的结构形式分类。目前在汽车上广泛采用的有齿轮齿条 式、循环球齿条齿扇式、循环球曲柄指销式和蜗杆曲柄指销式等几种结构形式的 转向器，它们各有优缺点。 循环球式转向器也是目前国内外汽车上较为流行的一种结构形式。循环球式 转向器中一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动 副或滑块曲柄销传动副。循环球式转向器的正传动效率很高( 可达9 0 。9 5 ) ， 故操纵轻便，使用寿命长，工作平稳、可靠。但其逆效率也很高，容易将路面冲 击力传到转向盘。不过对于前轴轴载质量不大而又经常在平坦路面上行驶的轻、 中型载货汽车而言，这一缺点影响不大。因此，循环球式转向器已广泛应用于各 类各级汽车。 5 江苏大学硕士学位论文 2 2 转阀式液压动力转向器的结构特点 转阀式液压助力转向器属整体式动力转向器的一种，是整体式动力转向器的 最新结构，代表着整体式动力转向器的发展方向。转阀式液压助力转向器将动力 缸、控制阀和转向器设计成结构紧凑、灵敏度高、工作可靠的一个整体，从而提 高了汽车转向系的技术性能。 该类型转向器的结构主要由机械部分和液压部分组成。其机械部分与循环球 机械转向器基本一样，由壳体、循环球螺杆螺母部分、齿条齿扇部分、侧盖及调 整螺杆组成。其液压部分由控制阀、油缸及活塞等主要部件组成。在机械部分， 壳体是承受高压的，最大工作压力已达2 0 m p a ，壳体上部作为油缸的缸筒。在控 制阀部分，阀体又作为转向器的上盖用，转向轴同时又作为转阀的阀芯，两者之 间是阀套。转向轴与螺杆由扭杆连接。螺母和齿条是一体的，同时又起活塞的作 用。齿扇与齿扇轴仍为一体，同时又作为转向器输出力矩的传力件，所以比一般 机械转向器齿扇轴直径加大。 图2 2典型的转阀式液压助力转向器结构图u 1 f i g2 2 s t r u c t u r ed r a w i n go fs t e e r i n g 1 控制阀2 螺杆3 齿条活塞( 螺母) 4 壳体5 调整螺栓6 侧盖7 齿扇轴 图2 2 所示为一个典型的转阀式液压助力转向器结构图。壳体为球墨铸铁材 料，转向器壳体4 同时也是转向动力缸缸体，转阀为标准型钢阀整体式结构，阀 的轴向定位靠壳体下部的调整螺栓支撑，侧盖则采用了钢丝挡圈限位结构。 在转阀式液压助力转向器中，转向控制阀( 以下简称转阀) 是其较为关键的 组成部件，它的性能好坏将直接影响到这个转向器总成的特性。一般来讲，转阀 6 江苏大学硕士学位论文 具有以下几个特点： 1 、都配有一个输出流量近似为定值的转向液压泵。当阀芯处于中位时，油 液经阀的预丌间隙流回油箱。试验证明，对称的多边控制阀可使系统具有较高的 力增益和速度增益 2 、为使驾驶员的转向意图准确迅速的转换为动力转向所必须的液压信号， 阀芯通常由转向轴或滚珠螺母直接控制，其角位移与方向盘转角有简单的比例关 系。 3 、转阀设有弹性定中元件扭杆，它的功能之一是在驱动力消失之后阀 芯能自动回归为零位，确保系统有明显的中位。弹性定中元件所产生的弹性力绝 大部分为阀芯运动的阻力或“路感。 2 3 转阀式液压助力转向器的工作原理 1 、汽车直线行驶 当汽车直线行驶时，转阀处于中间位置( 如图2 2 所示) ，来自油泵的工作 液压油从转向器壳体的进油口流入转阀中，因阀芯处于中间位置，流入的油液一 部分通过阀套凹槽和阀芯凸台间形成的间隙、阀芯径向油孔流向液压动力缸的下 腔，另一部分通过阀套凹槽和阀芯凸台形成的间隙，阀套径向孔以及阀套外缘的 油环槽流向液压动力缸的上腔，液压动力缸两腔的油压相等，齿条活塞保持在中 间平衡位置，不存在助力作用，油液在通过转阀阀套的径向通孔、阀：签内腔、阀 套组件和调整螺栓之间的空隙处，经壳体回油口流回油箱。， 图2 3 汽车直线行驶时转阀位置示意图 f i g2 3p o s i t i o no fv a l v ew h i l ea u t o m o b i l eg o i n gb e e l i n e 1 扭杆2 阀芯3 阀套 7 江苏大学硕士学位论文 2 、汽车转向 左转向时，方向盘逆时针转动，通过转向输入轴花键带动转向器输入轴( 阀 芯) 同步转动，输入轴上端的销子带动弹性扭杆也同向转动，该转动力矩通过弹 性扭杆传给螺杆，而转向螺杆通过转向螺母( 齿条活塞) 。齿扇轴、摇臂、拉杆 与车轮连接在一起，此时由于地面转向阻力的存在，由扭杆传递的转向力矩不足 以使转向螺杆转动，而阀套也未转动。但此时转向力矩使得扭杆发生弹性扭转。 因此阀套与阀芯产生相对转动( 如图2 4 ) ，使得转阀每个台肩一侧油路打开，另 一侧关闭。通动力缸下腔的阀口过流面积增大油压，油压升高；通动力缸上腔的 阀口过流面积减小而回油阀口过流面积增大，油压降低；动力缸上、下腔产生压 力差，直到压力差大到超过地面阻力，齿条活塞便在油压的作用下移动，产生助 力作用，此时来自转向油泵的压力油通过阀套径向孔、阀套凹槽与阀芯凸台之间 的间隙、阀芯径向孔流向动力缸下腔，动力缸上腔的油液经过阀套凹槽与阀芯凸 台之间的问隙、阀套径向孔流回油箱。 友转向 五犄同 图2 4 汽车左转向时转阀位置图图2 5 汽车右转向时转阀位置图 f i g2 4p o s i t i o no f v a l v e w h i l et u r n i n gl e f tf i g2 5p o s i t i o no f v a l v e w h i l et u r n i n gf i g h t 汽车右转向时的工作原理与左转向时基本相同，如图2 5 所示只是转阀内油 路发生反向的变化，液压动力缸上腔油压升高而下腔自由回流，油压很低，从而 产生反向的助力作用。 3 、方向盘处于某个角度时 当方向盘转到某一位置不再继续转动时，阀套随螺杆在油液和扭杆弹力作用 下沿方向盘旋转方向扭转一个角度，与阀芯之间的相对转角减小，上下动力腔油 压差减小，但仍有助力作用。助力转矩与车轮的回正力矩相平衡，使车轮维持在 某一转角位置。若在维持某一转角过程中，外界阻力发生变化而引起车轮转角变 大( 或变小) 时，阻力反传到阀套，使阀套与阀芯产生相对角位移，这样通过向 8 江苏大学硕士学位论文 上下动力腔的油压不相等，产生助力作用使前轮迅速回到原有转角位置，使汽车 转向轮的转角基本保持稳定。在方向盘维持在某一角度过程中，由于路面阻力在 不断变化，所以阀套与阀芯之间常发生相对转动，即阀套常处在“振荡状态 ， 及时产生助力作用，保持转向稳定。 4 、保证汽车直线行驶稳定的情况 前轮直线行驶偶遇外界阻力发生偏转时，阻力矩通过转向传动机构、转向螺 杆、螺杆与阀套的定位销作用在阀套上，使阀芯与阀套产生相对转动，则上、下 动力腔的油压不相等，进而产生助力作用，再通过齿条齿扇传动副及转向传动机 构使前轮迅速回正。假设前轮突然遇到外界阻力向左偏转，阻力矩通过传动机构 是阀套逆时针转动( 如图2 3 ) ，阀套与阀芯产生相对转动，液压动力缸上的动力 腔油压升高而下动力腔油压降低，产生助力作用，又通过传动机构使左前轮迅速 回正，保证了汽车直线行驶的稳定性，同时大大减轻方向盘的“打手 现象，这 是动力转向的一大特点。1 1 2 9 江苏大学硕士学位论文 第三章转向器有限元模型的建立 3 1有限元的基本方法及其计算工具的选择 3 1 1 有限元方法的基本理论 在1 9 世纪，有限元方法的思想已经作为一种数值求解方法被提出来了。然 而求解需要的巨大计算工作量，超过了当时人们能够承受的能力。所以这种方法 当时并没有实际应用的可能性。在2 0 世纪中期开始，电子计算机技术的出现和 迅速发展为人们提供了巨大的数值计算能力。在此基础上，人们重新对有限元法 开始实际应用的研究。2 0 世纪5 0 年代，工程师首先利用有限元技术对飞机结构 进行了分析。从此，有限元法开始进入了工程实际应用阶段。 有限元法的分析过程，概括起来可以分为以下五个步骤： 1 、结构的离散化 结构的离散化是有限单元法分析的第一步，它是有限单元法的基本概念。所 谓离散化简单说，就是将要分析的结构物分成有限个单元体，并在单元体的指定 点设置节点，使响铃单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合 体，以它代替原来的结构。在对连续体进行离散化时就需要考虑选择单元的形状 和分割方案以及确定单元和节点的数目等问题。 2 、选择位移模式 在完成结构的离散化之后，就可以对典型单元进行特性分析。此时，为了能 用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元 中位移分布作出一定假设，也就是假定位移是坐标的某种简单的函数，这种函数 称为位移模式或者插值函数。 选择适当的位移函数是有限单元法分析中的关键。通常选择多项式作为位移 模式。其原因是因为多项式的数学运算( 微分和积分) 比较方便，并且由于所有 光滑函数的局部，都可以用多项式逼近。至于多项式的项数和阶次的选择，则要 考虑到单元的自由度和解的收敛性要求。一般来说，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。 根据所选定的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关 1 0 江苏大学硕士学位论文 系式，其矩阵形式是 厂) = 【舱 式中 厂) 单元内任一点的位移列阵； p ) 单元的节点位移阵列； ( 3 1 ) 【卜一形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 3 、分析单元的力学特性 位移模式选定以后就可以进行单元的力学特性的分析，包括以下三部分内 容： ( 1 ) 利用几何方程，由位移表达式( 3 1 ) 导出用节点位移表示单元应变的 关系式： 转) = 陋 ( 3 2 ) 式中 p ) _ 一单元内任一点的应变列阵 陋卜一单元应变矩阵 ( 2 ) 利用本构方程，由应变的表达式( 3 2 ) 导出用节点位移表示单元应力 的关系式 仃) = 【d 】【b 】 艿) ( 3 3 ) 式中 p ) 单元内任一点的应力列阵 【d 】= 硐e 1 一 1 一 对称 1 一 1 2 2 1 2 2 1 2 2 e 为材料的弹性模量，为材料的泊松比。 ( 3 ) 利用变分原理，建立作用于单元上的结点力和结点位移之间的关系式， 即单元的平衡方程： 江苏大学硕士学位论文 f ) = 咪万) ( 3 4 ) 式中，k 】称为单元刚度矩阵，可以推导得： k 】_ 肛】r 【d 1 8 w f 利用变分原理同时还可导得等效节点力识。) = r p ，式中 p ) 为载荷，k ) 为 等效节点载荷分量 以上三项中，导出单元刚度矩阵是单元特性分析的核心内容。 4 、集合所有单元的平衡方程 建立整个机构的平衡方程，这个集合过程包括有两个方面的内容：一是将各 个单元的刚度矩阵，集合成整个物体的整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等 效节点力阵列，集合成总的载荷列阵。最常用的集合刚度矩阵的方法是直接刚度 法。一般来说，集合所依据的理由是要求所有相邻的单元在公共节点处的位移相 等。于是得到整个结构的平衡方程： 医眵) = 妒) 其中医】一整体刚度矩阵 p 。) 一结构的节点位移分量按结构节点及自由度顺序排列的矩阵 舻) 一结构的节点载荷分量按结构节点及自由度顺序排列的列阵 ( 3 - 5 ) 5 、求解未知节点的位移和计算单元应力 ( 1 ) 未知节点位移的求解 根据总体平衡方程医】p = 舻) ，考虑结构的约束条件，做适当的修改后可 以接触未知节点的位移。 ( 2 ) 单元应力的计算 计算单元刚度矩阵陆】，然后累加刚度矩阵陆】，通过求解k 弦 = 舻) ，得到 各节点的位移分量p ；再通过坐标转换求得单元节点位移分量p ) ；最后利用 式( 3 3 ) 和已求出的节点位移来求解单元应力。 这就是有限元法的大体解决思路。【冽 江苏大学硕士学位论文 随着有限元方法及计算机技术的飞速发展，各种有限元软件也得到了日新月 异的发展。有限元软件已成为使用有限元方法解决各种科学和工程问题的关键， 它使有限元方法转化为直接推动科技进步和社会发展的生产力，使之发挥了巨大 的经济和社会效益。 3 1 2 接触分析的有限元法 接触问题是一种高度非线性行为，这是由于系统的接触状态不能事先确定而 引起的，需要较大的计算资源。接触问题分为两种基本类型：刚体一柔体的接触， 半柔体一柔体的接触，在刚体柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作 刚体，该刚体与它接触的变形体相比，有大得多的刚度，一般情况下，当一种软 材料和一种硬材料接触时，可以假定为刚体一柔体的接触，许多会属成形问题归 为此类接触；另一类，柔体一柔体接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下， 两个接触体都是变形体，两者有近似的刚度。 接触条件是指两接触节点之间力和位移的关系，结构离散化后，接触边界条 件均由接触点对体现。接触点对的接触状态可分为松脱状态、粘合状态、滑移状 态、混合状态四种情况。由于在实际求解时，不可能预先知道其具体状态，为此 需要先假设接触状态，然后按这些状态所对应的接触条件，补充方程后求解其结 果应满足假定接触状态所对应的判定条件，否则需要修改接触状态，继续求解， 直到满足相应的判定条件为止。所以，接触问题的求解是一个迭代求解过程。 下式为接触问题的刚度方程 k 8 恤8 ) = p 8 ) + r 多) ( 3 6 ) 再考虑到其它与接触无关的单元共同进行组集，最后可得 医) = p ) + 识) ( 3 7 ) 式中医8j 为单元刚度矩阵； p 8 ) 为单元载荷向量； r ；) 为单元接触力向量； k 】为整体刚度矩阵； p ) 为整体载荷向量；像) 为整体接触力向量。 从式( 3 6 ) 、( 3 7 ) 的比较中不难确定单元刚度矩阵单元载荷向量的表达式， 如果分别对两物体单独写出其刚度方程，则有 江苏大学硕士学位论文 k k o 舰 “o ) ) - - ：慨l e o ) ) + + 慨r o 封 ( 3 - 8 ) k 舰) = 慨) + 慨) f u 。07 式中，下标a 、b 分别代表物体a 、b 。 由于接触力阮) 、r b ) 未知，因此在方程( 3 8 ) 中未知数个数多于方程数， 无法直接求解，必须补充对应接触点的接触连接条件，为此，应首先假定各接触 点对的接触状态，并代以相应的接触条件，在求解方程式各节点位移。 根据求解出的节点位移，再用求节点力的方法求出接触点对上的接触力向 量。然后，根据接触点对上的接触向量，一次按接触判定条件判断各点对接触状 态是否和假定接触状态相符，如不相符则应重新修改接触状态，重新把接触定解 条件代入( 3 8 ) 式，经反复迭代直到该次计算i j 后接触状态完全吻合为止。 3 1 3 转向器刚度、强度分析软件平台的选择 使用有限元方法进行工程分析的主要流程为：建立几何模型、选择分析程序、 建立分析模型、仿真分析、评价分析结果，也可以把这一流程分为前处理、分析 计算和后处理三个过程。在本文中，选择h y p e r m e s h 和a n s y s 作为前后处理软 件和分析软件，处理流程见图3 1 l 几何建模h p m 但 i 前处理 吲h y p e r m e s h 1 分析计算i 吲a n s y s l 后处理k = a n s y s 图3 1 有限元分析流程和软件的选择 f i g3 1c o u r s eo ff e aa n dc h o i c e so fs o f t w a r e 本文主要研究的是转向器的刚度、强度，以及温度对转向器零部件变形的影 响。所以主要用到a n s y s 软件中的结构分析以及热力耦合分析功能。 1 4 江苏大学硕士学位论文 3 2 转向器有限元模型的建立 建立准确而可靠的桥壳结构有限元计算模型，是有限元分析的前处理过程， 是一项极为重要的工作。模型简化的正确与否，合理与否直接关系到有限元计算 结果的正确度及精确度。因此，建立的有限元模型应满足下列几个要求： l 、计算模型必须具有足够的准确性，所形成的计算模型要能反映壳体结构的实际 状况。在此既要考虑形状与构成的致性，又要考虑支承情况和边界约束条件的 一致性，还要考虑载荷和实际情况的一致性。 2 、计算模型要具有良好的经济性。复杂的计算模型一般具有较高的准确性，但计 算模型并不总是越精确，越复杂。复杂的计算模型的建立相应地会花费更多的时 间、人力、物力去进行前处理、数据准备工作、数据计算和后处理，从而使计算 费用大大增加。 本文的研究对象是某整体式液压动力转向器。在建立有限元模型前，用p r o e 建立桥壳的初步实体模型。并按下列原则进行模型简化： ( 1 ) 略去功能件和非承载构件； ( 2 ) 将连接部位作用很小的圆弧过渡简化为直角过渡，来提高模型的计算速度； ( 3 ) 在不影响整体结构的前提下，对截面形状作一定的简化； ( 4 ) 对于一些结构上的孔、台肩、凹槽等，在截面形状特性等效的基础上尽量简 化，对截面特性影响不大的特征予以忽略。 按照以上原则，略去一些小油孔，各处的螺纹孔以及一些小的倒角。将用 p r o e 建立的实体模型，输出为s t e p 文件，并将其导入h y p e r m e s h ，通过文件转 换得到的转向器实体模型如图3 2 江苏大学硕士学位论文 图32 转向器宴体模型 f i g3 , 2 e n t i t y m o d e lo f t h es t e e r i n g 33 有限元网格的划分 具体的网格化转向器模掣需要做以rl 作： 1 、定义删格单兀的属性，这些属性包括巾元的种类，单元的几十常数单 元的材料特忖以及币儿形成时所存的举标系。 2 、进行网格划分所需的参数设定，最土要在丁定义对象边界( 即线段) 儿囊 的人小与数目。叫格设定所需要的参数将决定刚格的人小、形状，这步螺非常 尊要，将影响分析时的r 确性及经济性m 格太细也许会得到较好的结果，但并 非网格细就足最盎的结果，凶为网格太细太密，会造成占用人量分析叫问。有时 较细的网格与较料的州格比较起来，较细的网格分析的精确度 增加分之儿， 化 川的计算机资源比较柑的刚格却是数侪之多，l 叫时较细的网格在复杂结构之 中，常会造成不同网格划分的连接困难。 存结构分析叶j ，结构的麻力状态决定巾元的类j 魁选择。选择原则是：优先考 虑选择用维数最低的单元来获得预期的结粜。综合考虑该转向器的情况，在进行 不考虑温度的转向器静态刚度、强度分析时，模型采用了3 0 1 4 7 5 个8 节点的 s o l i d 4 5 单元，在进行热力耦合分析时，模型采用8 6 7 5 4 个二阶的s o l i d 9 8 单元 和2 2 4 4 0 个s o l i d 5 单元。模型中有些1 荸【j 件是相互接触的，相互接触的部件之间 间隙很小，例如转阀阀芯和阀套之，白j 的接触，阀体和壳体之间的接触，对于接触 的部分接触面要采用c o n t a l 7 3 单兀，目标面要采用t a r g e l 7 0 单元，此外，模型 江苏太学硕士学位论文 中还有m a s s 2 1 、r i g i d 单兀作为辅助。在本文的后文中会对这些单元做出介绍 转向器的有限元模掣如图3 3 ，3 4 所不 固33 转向器总成有限元模型 f i g3 3 f e m o d e lo f t h es t e e r i n g 图34 有限元模型内邵结构 n g3 4 i n s i d eo f t h es t e e f i n g 转向阀的嗍体和动力缸的缸体足通过螺栓连接，在进行有限元模拟的时候粟 川蛐【冬| 3 5 的形，进行模拟，图中阀体和缸体蝶栓孔州凼节点分别与孔的中心建 赴刚性连接，f 赴两个中心点之叫建一刚性连接，这样就把螺栓连接模拟为刚性 连接。 江苏大学硕士学位论文 3 4 单元类型介绍 图3 5 连接的模拟 f i 9 3 5b o l tj o i n t 一、s o l i d 4 5 单元 如图3 6 所示为s o l i d 4 5 的单元 模型，及其节点位置。该单元类型用 于3 d 模型的实体结构，有8 个节点， 每个节点有x ，y ，z 三向的移动的3 个自由度。该单元适用于塑性分析， 膨胀分析，大变形小应变分析，大挠 度分析等等。 。啦 图3 6 s o li d 4 5 单元模型 f i g3 6m o d e lo fs o l i d 4 5 二、s o l i d 9 8 单元 如图3 7 所示为s o l i d 9 8 的单元模型， 及其节点位置。s o l i d 9 8 有1 0 个节点，每个 节点有6 个自由度，分别为x ，y ，z 向的移 y 动，温度，电压和磁性，因此可以用于磁， 工+ x 电，温度，结构等方面的分析，还可以进行 1 ， 这些方面有限的耦合分析。该单元是二阶的， 图3 7 s o li d 9 8 单元模型 适用于不规则的网格划分。在结构和压电分 f i g3 7m o d e l o f s o l i d 9 8 析时，单元适用于大变形小应变分析和大挠度分析。【删 1 8 ：l 江苏大学硕士学位论文 三、接触单元 a n s y s 支持三种接触方式：点一点，点一面，面一面，每种接触方式适用 于某类问题。本文中的转向器主要考虑阀芯阀套的接触、阀体和转向器壳之间的 接触( 如图2 1 、图3 4 ) 。在这两处主要是妯的面一面接触。并且在这两处 的接触状态是粘合状态，即可能的接触面保持接触，且不存在相对滑移，其对应 的节点对称为粘合节点对。 本文使用的接触对为接触单元c o n t a l 7 3 和目标单元t a r g e l 7 0 ，接触单 元实常数必须与其对应的目标单元相同，每对接触的接触面和目标面要有相同的 实常数号，同一个接触对使用相同的实常数设置，实常数的一些参数设置，如法 向接触刚度因子( f k n ) ，最大的渗透范围( 邢o l n ) ，初始靠近因子( i c o n t ) ， 定义“p i n b a l l 区域( p i n b ) ，定义初始渗透的容许范围( p m i n 、p m a x ) 等都 需事先进行确定。 用实常数f k n 定义垂直方向上的接触刚度因子，其通常的变化范围是 o 0 1 1 0 ，默认是1 ，取小的f k n 值，将使求解更容易收敛，但会带来比较多的 渗透。若在求解过程中，碰到收敛困难或太多渗透问题，可调整f k n 值的大小。 本文中根据接触对网格大小和节点对应情况，选择f k n 为1 用实常数f t o l n 定义面在垂直方向上的容差因子，其通常应小于1 ，默认 值是0 1 当用拉格朗日乘子和罚函数混合法求解时，该因子决定渗透是否在容差 范围内。如果渗透发生在f t o l n 值与目标单元覆盖下的单元厚度的乘积之内， 则渗透是允许的，本文取f t o l n 默认值0 1 。 用实常数i c o n t 定义最初的间隙因子，如果最初的间隙在一定值之内 ( i c o n t 值与目标单元覆盖下的体单元厚度的乘积) ，a n s y s 认为，模型在最 初始是接触的。本文中取默认值。 当目标面远离接触单元，而接触单元渗透入目标面，为减少结构伪接触产生。 可以通过实常数p i n b 指定“p i n b a l l ”区域( 包含接触单元的圆形) ，可以将p i n b 值指定为任意值。默认情况下，对柔体柔体之间的接触，a n s y s 指定p i n b 值 为覆盖下的体单元厚度的两倍。本文中取默认值。 1 9 江苏大学硕士学位论文 若指定p m i n 和p m a x 的值，在分析之初，目标体上没有零约束，a n s y s 移动处于p m i n 和p m a x 范围内的目标面，以与接触面接触。类似地，如果 最初渗透值大于p m a x 值，则a n s y s 调整目标面到p m i n 与p m a x 范围 内，以减少渗透。对柔体柔体接触，此功能将移动包含有接触面的整个变形体， 以与接触面接触，但须确定该变形体上没有其它的目标面或接触面。 3 5 转向器总成材料的介绍 转向器内部的受力比较大，并且各零部件的受力状况也不一样，所以不同的 部件采用不同的材料，具体如表3 - 1 表3 1 转向器各部件采用的材料及其性能 t a b l e3 - 1m a t e r i a l sa n dp r o p e r t i e so ft h es t e e r i n g q t 4 5 0 1 0 有较好的塑性与韧性，适于制造阀体和壳体。 4 0 c r 是最常用的合金结构钢，抗拉强度、屈服强度及淬性均比4 0 号钢高， 可用于较重要的调质零件。表面淬火后可作负荷及耐磨性要求较高，而无很大冲 击的零件。 2 0 c r m n t i 是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨 的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性。由于钢球经常要与螺杆接触并 摩擦，所以选择2 0 c r m n t i 作为螺杆的材料。 2 0 江苏大学硕士学位论文 3 6 载荷与边界条件的处理 有限元分析的