汽車后橋總成作為車輛的一個重要的承載部件,其質量對車輛的安全性和可靠性具有重要影響。本文以某款輕型商用車后橋總成為分析對象,利用有限元軟件Abaqus對后橋總成的結構強度進行了非線性有限元分析,分別模擬了轉向工況和垂直跳動工況,分析結果表明后橋總成滿足結構強度設計要求。

1 前言

    汽車后橋總成作為車輛的一個重要的承載部件,傳遞著車架與路面之間各個方向的作用力,其質量對車輛的安全性和可靠性具有重要影響。因而,對其進行結構強度分析具有非常重要的意義。有限元前處理軟件HyperMesh是一款高效快捷的網格處理軟件,針對復雜模型可以很方便地生成高質量的網格。同時HyperMesh與CAD軟件、求解軟件都有豐富的接口。有限元軟件Abaqus針對復雜的非線性問題提供了強大的有限元理論解決方案,可以方便地解決汽車仿真分析中的各種問題,被廣泛應用于汽車整車、子系統及零部件的仿真分析中。

    本研究選用HyperWorks作為前后處理工具,Abaqus求解器對汽車座椅塑料件進行有限元分析。HyperMesh軟件是美國Altair 公司的產品,是世界領先的、功能強大的CAE應用軟件包,也是一個創新、開放的企業級CAE平臺,它集成了設計與分析所需的各種工具,具有強大的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面。在CAE領域,HyperMesh最著名的特點是它所具有的強大的有限元網格前處理和后處理功能。同時HyperMesh支持很多不同的求解器輸入輸出格式,這樣在利用HyperMesh劃分好模型的有限元網格后,可以直接把計算模型轉化成不同的求解器文件格式。

    Abaqus被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件,可以分析復雜的固體力學結構力學系統,特別是能夠駕馭非常龐大復雜的問題和模擬高度非線性問題。Abaqus不但可以做單一零件的力學和多物理場的分析,同時還可以做系統級的分析和研究。由于Abaqus優秀的分析能力和模擬復雜系統的可靠性使其被廣泛地用于各國的工業和研究中。

    本文以某款輕型商用車后橋總成作為分析對象,利用HyperMesh軟件作為前處理軟件,有限元軟件Abaqus作為求解器,對后橋總成的結構強度進行了接觸非線性有限元分析,分別模擬了轉向工況和垂直跳動工況,得到后橋總成的應力分布情況。分析結果表明,后橋總成能夠滿足結構強度的設計要求。

2 分析描述

    2.1 理論背景

    2.1.1 彈性力學的基本方程

    (1)平衡方程:

    (2)幾何方程:

    (3)本構方程:

    其中

    如果解出應力σij,則上式可以轉換為

   

    求解彈性力學的控制方程的目的在于求出物體內各點的應力場和位移場。

    2.1.2 邊界條件

    彈性體V的全部邊界條件為S。一部分邊界條件上已知外力T_x,T_y,T_z,稱為力的邊界條件,這部分邊界條件用S_σ表示;另一部分邊界上彈性體的位移已知,稱為幾何邊界條件或位移邊界條件,這部分邊界條件用S_u 表示。這兩部分的邊界條件構成彈性體的全部邊界,即:

S_σ+S_μ=S

    (1)力的邊界條件

    給定物體的體力和面力,求在平衡狀態下的應力場和位移場,即所謂邊界應力已知的問題。

    彈性體在邊界上單位面積的內力為T_x,T_y,T_z,在邊界S_σ上已知彈性體單位面積上作用的面積力為T_x,T_y,T_z,根據平衡有:

    T=T(在S_σ上)

    其中,T=nσ

    設邊界外法線為N,其余弦為n_x,n_y,n_z

   

    (2)幾何邊界條件

    給定物體的體力和物體表面各點的位移,求在平衡狀態下的應力場和物體內部的位移場,即所謂邊界位移已知的問題。

    在S_u上彈性體的位移已知,根據平衡有:

  

    (3)混合邊界問題

    在物體表面上一部分給定面力,其余部分給定位移(或在部分表面上給定外力和位移關系)的條件下求解上述問題。即所謂混合邊值問題。

    一般處理的方法有:

    ①位移法。用位移作為基本未知量來求解邊值問題。將一切位置量和基本方程都轉化為用位移表示(給定位移邊界條件)。

    ②應力法。用應力作為基本未知量來求解邊值問題。將一切未知量和基本方程都轉換為用應力表示(給定應力邊界條件)。

    ③混合法。解決第三類邊值問題。

    2.1.3 彈性體的應變能和余能

    單位體積的應變能(應變能密度):

    應變能是個正定函數,只有當彈性體內所有的點都沒有應變時,應變能才為零。

    單位體積的余能(余能密度):

    余能也是個正定函數,在線彈性力學中彈性體的應變能等于余能。