M1后桥有限元分析.docx

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M1后桥有限元分析

金杯M1中华牌轿车后桥焊接总成

结构强度CAE分析

本文是金杯M1中华牌轿车后桥焊接总成结构强度CAE分析的报告。

包括：

1）动力学仿真：

由中华牌轿车后悬架ADAMS/CAR运动机构仿真模型动态仿真分析得到制动、侧滑、垂直三工况条件下的后桥焊接总成的工况条件。

2）有限元分析：

后桥焊接总成制动、侧滑、垂直三工况条件下的有限元分析两部分。

一、受力分析、动力学仿真：

ADAMS/Car是一种用于汽车虚拟模型动力学分析的专业软件平台。

在ADAMS/Car中软件提供了悬架中各部件间约束关系模板可以快速地建立起悬架总成、转向机构或是整车的模型，这些模型中的各个零部件通过一些设定的约束关系相连接，其它一些参数如悬架弹簧刚度等也可设定。

通过对这些虚拟样件的动力学分析可以替代传统的对物理样件的分析。

根据金杯能够提供的参数，中华牌轿车后悬架的三维几何模型和装配关系，搭建的ADAMS/CAR后悬架运动机构仿真模型，可计算出各种典型工况时车轮处的受力状况。

然后应用ADAMS/Car 软件，使用该软件建立起悬架杆系模型并建立各零部件的约束关系、输入悬架弹簧刚度，通过Adams的运算能够把前轮处的受力以三个方向的力和三个方向的扭距表达在前后横臂和后桥焊接总成连接处（分别在各自的金属橡胶支承中心）。

根据金杯提供的参数和数据分别计算出通过不平路面时、制动时、侧滑时的工况，可以确定在垂直力、纵向力、侧向力分别最大的情况下的受力状况。

图一中华牌轿车后悬架运动机构仿真模型

在制动、侧滑、垂直三工况条件下仿真运算得到的后桥桥架左右侧前后横臂关节上的载荷情况见下表：

表一

工况

前横臂

后横臂

力（x,y,z）

扭矩（tx,ty,tz）

力（x,y,z）

扭矩（tx,ty,tz）

制动

左侧

-633.3,982.1,-1436.3

47.3,29.2,0.36

-503.3,592.9,859

46.8，34.6,-0.3

侧滑

-394.4,1828.7,-3906.5

25.4,-0.47,-0.48

127.8,609.18,203.5

28.4,-2.3,-0.4

垂直

-194.4,1005.3,--952.32

65.8,-2.8,-0.57

196.7,863.5,2350.8

63.3,-1.3,-0.67

制动

右侧

-633.3,-982.1,-1436.3

-47.3,29.2,-0.36

-503.3,5-92.9,859

-46.8，34.6,0.3

侧滑

340.5,1187.3,1700.6

28.2,-14.5,0.19

-32.2,631.1,-921.7

33.2,-12.2,0.002

垂直

-194.4,-1005.3,-952.32

-65.8,-2.8,0.57

196.7,-863.5,2350.8

-63.3,-1.3,0.67

二、结构强度有限元分析

本项目采用的有限元分析，其前置处理采用汇众公司已有的MSC/PATRAN软件，解算器采用MSC/PATRANADVANCAEFEA软件。

MSC/PATRAN和MSC/PATRANADVANCAEFEA软件都是国际著名有限元分析商MSC的产品。

MSC/PATRAN最早由美国宇航局（NASA）倡导开发，是工业领域最著名的并行框架式有限元前后置处理及分析系统，其开放式、多功能的体系结构是可将工程设计、工程分析，结果评估、用户化和交互图形界面集于一身的完整CAE集成环境。

MSC/PATRANADVANCAEFEA是以非线性算法为基础求解复杂结构问题的高级通用非线性有限元程序，其强大的非线性功能可用于求解静力、动力、非线性、热场及各类接触问题等，可解决各种复杂的工程问题。

1）几何模型读入：

金杯公司提供后桥焊接总成的3维CATIA曲面模型，经过IGES转换后读入UGII，经过曲面编辑、修改、补洞、缝合等编辑，以PARASOLID格式读入PATRAN。

读入PATRAN的3维几何模型见图二。

图二读入PATRAN的后桥焊接总成的3维几何模型

整个3维几何模型共计有：

点1565个，曲线2391条，曲面836张。

2）有限元模型：

整个网格划分为以二维Quad4四边形网格为主，局部以Tria3三角形网格为辅的pavermesh板壳单元

用MPS摸拟焊点和前后横臂结构的简化。

有限元模型共有节点16400个、单元15793个，多点约束163个。

有限元模型见图三。

图中，白色分Quad4四边形网格、绿色为Tria3三角形网格，红色为MPS单元摸拟的焊点和前后横臂结构。

图三有限元模型图

3）载荷：

a、约束D1：

三个工况设置相同，后桥与车身安装四孔的施加于座标（x2769,y444.5,z177.5）、（x2974,y450.5,z177.5）、（x2769,y-444.5,z177.5）、（x2974,y-450.5,z177.5）四孔的孔边上。

b、力Force:

通过左右前横臂和后横臂作用到后桥上的力的作用点坐标为：

左前横臂（x2829.899,y-368.899,z-11.5）

左后横臂（x2961.2,y-348.6,z66.6999）

右前横臂（x2829.899,y368.899,z-11.5）

右后横臂（x2961.2,y348.6,z66.6999）

通过MPC作用到各安装孔周围。

图四后桥的栽荷图

三种工况的力的代号分别为：

制动工况：

左前横臂ZDZQ

左后横臂ZDZH

右前横臂ZDYQ

右后横臂ZDYH

侧滑工况：

左前横臂CHZQ

左后横臂CHZH

右前横臂CHYQ

右后横臂CHYH

垂直工况：

左前横臂CZZQ

左后横臂CZZH

右前横臂CZYQ

右后横臂CZYH

各点所施力的大小见表一，力的单位为N。

具体可参见图四和图五，图中白色和绿色为网格、浅蓝色为约束、黄色为力。

图五载荷局部详图

4）材料情况：

选用常用钢板材料参数，弹性模量：

2×105Mpa、泊松比：

0.3，赋值于所有的单元上。

材料厚度2mm，均厚。

忽略了各安装孔边局部加厚。

表二有限元模型细目

+------------------------------+----------+--------------+-----------+-----------+----------+

|EntityType|Visible|Embedded|MinID|MaxID|Equiv'd/|

|Point点|1565|0|1|1565||

|Curve曲线|2391|0||||

|Surface曲面|836|0|1|836||

|Node节点|16400|0|27|56821||

|Element单元|15793|0|16001|39512||

|MPC多点约束|163|0|147|435||

|Material材料|1|0||||

|ElementProperty属性|2|0||||

|LoadCase工况|4|0|0|0|1|

|Group组|5|0|0|0|2|

|Load/BC载荷|0|13||||

+------------------------------+---------+--------------+-----------+----------+------------+

|Totals|34769|2404|||3|

+------------------------------+----------+--------------+----------+----------+------------+

GroupNames组名

---------------------------------------------------------

default_group

SM_001

SM_002

SM_003

a

LoadCaseNames工况名

------------------------

Default

zd

ch

cz

Load/BCNames载荷名

----------------------

chyh

czyh

chzh

czzh

chyq

czyq

chzq

czzq

d1

zdyq

zdyh

zdzh

zdzq

MaterialNames材料名

-----------------------

m

ElementPropertyNames单元属性名

-------------------------------

m

n

5）分析计算：

分别以制动、侧滑、垂直三种工况为条件进行线性有限元应力计算。

5）分析结果：

a、制动工况：

图六制动工况的应力云图

最大应力MAX5.8×102MPa节点28118

最小应力MIN5.49×10-2MPa节点51627

图七制动工况的应力云图局部详细

图八顶视制动工况的应力云图

由以上图六、图七、图八三图可见应力分布，左右对称，前侧的应力要大于后侧。

集中在横臂安装孔边。

图九制动工况位移云图

B、侧滑工况

最大应力MAX1.5×103MPa节点28118

最小应力MIN1.01×10-1MPa节点3928

图十侧滑工况的应力云图

图十一侧滑工况的应力云图局部详细

图十二顶视侧滑工况的应力云图

由以上图十、图十一、图十二、三图可见应力分布不对称，右后左前应力稍大。

集中在横臂安装孔边。

图十三侧滑工况位移云图

C、垂直工况

最大应力MAX1.28×103MPa节点7430

最小应力MIN9.14×10-12MPa节点51956

图十四垂直工况的应力云图

图十五垂直工况的应力云图局部详细

图十六顶视垂直工况的应力云图

由以上图十四、图十五、图十六三图可见应力分布左右对称，后侧的应力要大于前侧。

集中在横臂安装孔边。

图十七垂直工况位移云图

三、小结：

从以上三工况分析结果看，各工况的应力分布有差别，但应力较大部位都集中在横臂安装孔周围。

而这些部位，设计时已考虑加厚。

焊结总成的结构强度应无大的问题。

上海汇众汽车制造有限公司

研究开发中心计算机应用研究室

吴铭周俊龙

2001．11．26．