扭转梁后桥结构性能仿真和优化设计

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1、扭转梁后桥结构性能仿真和优化设计摘要：在汽车底盘设计过程中，为减小扭转梁后桥结构性能可能存在的设计风险，对扭力梁后桥进行了有限元结构性能仿真。首先建立了扭转梁后桥有限元模型，并应用Abaqus对该扭转梁后桥在三种典型危险工况下进行了静态强度分析。并应用MSC.Nastran和Ncode.Designlife对该后桥进行了疲劳寿命预测，并根据仿真结果提出有效的结构优化。结果表明经过优化后的设计大大提高了后桥的强度和疲劳寿命。关键词：扭转梁后桥有限元仿真强度疲劳寿命前言随着CAE仿真技术越来越先进准确，有限元仿真广泛

2、应用于汽车设计开发中。本文将应用有限元技术对正在开发中的扭转梁后桥进行强度和疲劳仿真分析，并基于仿真分析结果对该扭转梁后桥进行优化，为产品结构可靠性和将来试验提供有效的数据支持。该扭转梁后桥总成由横梁、侧臂、弹簧支架、减震器支架、制动支架以及其他线束支架焊接而成。当左右车轮产生上下方向的相对运动时，因为扭转梁有柔性，中间扭转梁将发挥作用生成一个相反方向的扭矩。汽车在路面行驶时有各种复杂的路况，对于扭转梁后桥通过总结有如下三种最典型的危险工况：垂向冲击工况、紧急制动工况、转弯工况。这三种典型危险工况是汽车扭转梁后桥

3、在使用过程中受力最大的状态，所以分析后桥的结构强度和疲劳寿命也基于这三种工况下进行分析。本文利用Hypermesh建立扭转梁后桥有限元模型，并应用Abaqus进行分析对典型危险工况进行静力学强度分析。因为该后桥正在开发设计中，所以很难获取可靠的路谱作为疲劳寿命计算的输入，所以本文采用单工况法应用MSC.Nastran和Ncode.Designlife进行疲劳寿命预测，为该后桥的优化设计以及将来的台架试验提供依据。有限元模型的建立有限元网格及属性建立将CATIA设计模型导入到Hypermesh里，对导入的模型要进行

4、几何清理，从几何模型中抽取中面进行高质量的网格模型。该后桥由等板厚的冲压件焊接而成，所以可以采用壳单元进行零件网格划分，网格大小设为5mm。为了确保仿真分析的准确性，需要对划分的网格进行质量检查，修改不合格的网格，尽量减少三角形网格数量。为了提高计算精度，焊缝采用四边形单元网格，并对关键区域进行网格细化处理。最终的扭转梁后悬架总成的有限元模型如图1所示，其中二维单元的四边形单元（quad4）有25640个，三角形单元（tria3）有843该扭力梁后桥零件材料属性如表1所示1.2.力学分析汽车在行使过程中，路面对车

5、身的力将通过车轮和扭转梁进行传递。本项目汽车满载时的质量为1510kg，作用在后轴上的载荷为755X9.8=7399NO汽车行驶过程中有很多工况，本文内容将集中研究纵向力，垂向力，侧向力最大时的三种典型危险工况。1.2.1.汽车在行驶过程中越过不平路面时，比如车轮经过较大的突起物或者较深凹坑时，此时车轮受到很大的垂向冲击力，动载系数为k=2o2.车轮抱死，此时车轮受到最大纵向力FX。辆在最小转向半径转弯并且此时车轮不发生侧滑时，一侧车轮抬离地面，不承担簧载质量而另一侧车轮则完全承担载荷，此时车轮会受到较大侧向力F

6、Y的作用。三种典型危险工况下轮胎接地点载荷如表2所示。边界约束条件及加载扭转梁后桥的边界约束多，约束形式较为复杂，关键的约束点在与后桥与车身相连的地方，此处约束边界条件的设定将会影响整个计算仿真的精确性。该扭转梁后桥通过一个橡胶衬套与车身连接。衬套由外管橡胶和内管硫化成为一体。在载荷作用下，内管固定约束X、Y、Z方向的平移自由度，内管和扭力梁后桥之间用近视橡胶等同刚度连接。通过处理过后的载荷文件将等效计算载荷加载在车轮中心，弹簧下支点和减震器下支点，如图2所示。扭转梁后桥强度校核应用多体动力学软件ADAMS/Ca

7、r可计算出各工况的静态载荷，生成载荷数据文件作为扭力梁后桥结构强度分析的输入。通过计算后桥应力结果与材料许用应力可反映产品设计强度的可靠性。本文将应用Abaqus软件计算三种最恶劣工况下后桥的强度。1.1.垂向冲击工况垂向工况下汽车右后轮抬起左后轮悬空，扭转梁后桥受到很大垂向力。如图3所示，在该工况下，减震器支架应力最大达到345MPa，材料选用B510,材料屈服极限os=355MPa,omax3.1.材料的E-N曲线为了进行疲劳寿命估算就必须了解扭转梁后桥材料疲劳性能。该后桥结构最重要的几个零件采用型号为B51

8、0L的钢材料，从手册和材料数据库中可以找到其光滑试件的E-N11线，然后对E_N曲线采用Goodman方法进行应力修正，得到扭转梁后桥的材料E-N曲线，如图6所示。2.2.扭转梁后桥疲劳仿真结果本文研究在垂向力作用下该扭转梁后桥疲劳寿命状况。垂向施加的疲劳载荷为正弦波，载荷循环的周期应力幅值为：下限载荷为-5KN，上限载荷为+3KN。通过MSC.Nastran求解器算出扭