干货满满！远端位移在转向节刚强度分析中的应用

安世亚太仿真研发部

王庆艳

摘要： 转向节是汽车底盘部分的重要受力零部件。在车辆的行驶过程中，它不仅承受前轴负载，而且在车辆转向、制动时还要承受条件恶劣的载荷作用，因此对其强度、抗冲击性都有很高的要求。为保证行车安全，对其进行强度分析十分重要，一般要进行侧滑工况、不平路面工况、紧急制动工况等计算。本案例对汽车的典型转向节零件，基于PERA SIM Mechanical建立CAE仿真模型，模拟在紧急制动的特定工况条件下，进行结构静力学仿真分析，在边界设置时对于两个固定约束表面采用远端位移的功能进行了边界施加，同时与ANSYS软件进行结果比对分析，以验证计算精度等。

关键词： PERA SIM Mechanical 转向节 远端位移 强度分析

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1. 问题描述

本模型为汽车转向节，基于转向节模型的连接关系及受载情况，利用PERA SIM Mechanical软件对该模型进行强度评估。本模型的多个连接部位（圆柱面）需要进行固定约束以及载荷的施加，需要考虑边界及载荷的处理方式，避免应力集中。对于此问题采用远端位移的方式对两个连接部位进行约束的施加。

本案例重点介绍PERA SIM Mechanical中远端位移功能以及进行静力学分析的完整流程。具体涉及到对模型的导入、网格划分、属性定义、远端位移约束、集中力载荷的施加及结构静力学分析计算及后处理的过程。

图1  计算流程

图2  汽车转向节产品相关结构示意图

图3  转向节几何模型

2. 远端位移功能介绍

远端位移是PERA SIM Mechanical中边界条件定义的一种，远端位移与一般位移定义的区别是作用位置和作用点可以分开，这个特点使得远端位移的应用更加灵活。作用原理是在远端位移的作用位置中心产生一个控制节点，控制节点与远端位移的作用位置之间建立连接关系，位移条件施加在控制节点上，基于连接关系可以将位移传递到作用位置上。

远端位移的一个比较主要的作用就是可以对实体结构引入转动约束，例如本例中的转向节模型为实体结构，通过远端位移进行边界的施加，可以考虑转动约束，丰富实体模型的约束类型。

3. 有限元模型的建立

3.1 模型导入

导入外部生成的的cad模型文件，PERA SIM Mechanical支持对主流格式的cad文件的读入。导入后的几何模型如下：

图4  导入后的模型

3.2 网格划分

本模型首先采用全局网格控制，同时对部分边界及载荷施加位置进行了局部网格控制。单元采用二阶实体单元。设置完成后，对转向节模型进行网格划分。

图5  全局网格控制

图6  局部网格控制

网格生成结束后，信息窗口会显示生成网格的节点数及单元数，转向节有限元模型的节点数为356084，单元数为217378。

图7  整体网格

图8  局部网格

3.3 属性定义及赋值

3.3.1 材料属性

汽车转向节结构采用40cr材料，其属性值如表所示：

表1  材料属性

3.3.2 截面类型

转向节模型采用实体单元进行模拟，因此需要建立实体单元截面。

 图9  实体单元定义

3.3.3 属性赋值

单元及截面定义完成后，需要将截面赋予给实体。为实体赋予截面的过程可以直接基于交互式选择，也可以用定义选择集的方式完成。

图10  属性赋值

3.4载荷及边界条件

基于转向节模型的实际工况，定义相关边界及载荷条件。

图11  边界条件说明

图12  载荷条件说明

• 部位一：内圆柱面固定约束，模拟与减振器连接。

• 部位二：内圆柱面采用远端位移的方式，在圆柱面中心主节点处进行固定约束，其中主节点的位置是基于所选择的区域型心自动生成，主节点与所选择的区域自动进行rbe3连接。模拟与悬架下摆臂连接。

• 部位三：内圆柱面采用远端位移的方式，在圆柱面中心主节点处进行固定约束，其中主节点的位置是基于所选择的区域型心自动生成，主节点与所选择的区域自动进行rbe3连接。模拟与转向拉杆连接。

• 部位四：外侧内圆柱面施加集中力，X向集中力大小为48000N，Y向集中力大小为-60000N，模拟紧急制动工况的车轮地面作用力。

4. 计算结果分析

计算结果主要评估总变形及等效应力结果，对于等效应力结果选取了两个远离约束位置的参考点作为评估区域。与ANSYS软件计算结果对比如下：

总变形及参考点等效应力云图对比如下：

图13  总变形云图(ANSYS)

图14  总变形云图(PERA SIM Mechanical)

图15  参考点一等效应力(ANSYS)

图16  参考点一等效应力云图(PERA SIM Mechanical)

图17  参考点二等效应力(ANSYS)

图18  参考点二等效应力云图(PERA SIM Mechanical)

如上结果显示，PERA SIM Mechanical的总位移结果、两个参考点位置的等效应力结果和ANSYS相比云图趋势及结果数值都非常吻合。

5. 结论

基于PERA SIM对汽车转向节结构进行强度分析，通过分析获取转向节模型的变形及应力结果，进而帮助用户判断转向节结构的刚强度是否满足要求。

对于应力集中部位采用了远端位移的方式进行边界条件的施加，软件自动创建远端点，并建立远端点与实际部位的连接关系，此种处理方式提高了用户的效率，并可以大大降低应力集中。

计算结果与商业软件ANSYS的结果进行了对比， PERA SIM Mechanical与ANSYS计算结果吻合很好，从对标角度验证了PERA SIM Mechanical软件具有较高的计算精度，计算结果能够满足工程应用的要求。