Abaqus在輕型商用車后橋總成強(qiáng)度分析中的應(yīng)用

汽車后橋總成作為車輛的一個(gè)重要的承載部件,其質(zhì)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了非線性有限元分析,分別模擬了轉(zhuǎn)向工況和垂直跳動(dòng)工況,分析結(jié)果表明后橋總成滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

1 前言

    汽車后橋總成作為車輛的一個(gè)重要的承載部件,傳遞著車架與路面之間各個(gè)方向的作用力,其質(zhì)量對車輛的安全性和可靠性具有重要影響。因而,對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(wǎng)格處理軟件,針對復(fù)雜模型可以很方便地生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。同時(shí)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(fù)雜的非線性問題提供了強(qiáng)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(yīng)用于汽車整車、子系統(tǒng)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(jìn)行有限元分析。HyperMesh軟件是美國Altair 公司的產(chǎn)品,是世界領(lǐng)先的、功能強(qiáng)大的CAE應(yīng)用軟件包,也是一個(gè)創(chuàng)新、開放的企業(yè)級CAE平臺(tái),它集成了設(shè)計(jì)與分析所需的各種工具,具有強(qiáng)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(lǐng)域,HyperMesh最著名的特點(diǎn)是它所具有的強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格前處理和后處理功能。同時(shí)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(wǎng)格后,可以直接把計(jì)算模型轉(zhuǎn)化成不同的求解器文件格式。

    Abaqus被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件,可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng),特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)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(xué)和多物理場的分析,同時(shí)還可以做系統(tǒng)級的分析和研究。由于Abaqus優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使其被廣泛地用于各國的工業(yè)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了接觸非線性有限元分析,分別模擬了轉(zhuǎn)向工況和垂直跳動(dòng)工況,得到后橋總成的應(yīng)力分布情況。分析結(jié)果表明,后橋總成能夠滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。

2 分析描述

    2.1 理論背景

    2.1.1 彈性力學(xué)的基本方程

    (1)平衡方程:

    (2)幾何方程:

    (3)本構(gòu)方程:

    其中

    如果解出應(yīng)力σij,則上式可以轉(zhuǎn)換為

   

    求解彈性力學(xué)的控制方程的目的在于求出物體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)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(gòu)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(tài)下的應(yīng)力場和位移場,即所謂邊界應(yīng)力已知的問題。

    彈性體在邊界上單位面積的內(nèi)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(jù)平衡有:

    T=T(在S_σ上)

    其中,T=nσ

    設(shè)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(diǎn)的位移,求在平衡狀態(tài)下的應(yīng)力場和物體內(nèi)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(jù)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(guān)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(zhuǎn)化為用位移表示(給定位移邊界條件)。

    ②應(yīng)力法。用應(yīng)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(zhuǎn)換為用應(yīng)力表示(給定應(yīng)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(yīng)變能和余能

    單位體積的應(yīng)變能(應(yīng)變能密度):

    應(yīng)變能是個(gè)正定函數(shù),只有當(dāng)彈性體內(nèi)所有的點(diǎn)都沒有應(yīng)變時(shí),應(yīng)變能才為零。

    單位體積的余能(余能密度):

    余能也是個(gè)正定函數(shù),在線彈性力學(xué)中彈性體的應(yīng)變能等于余能。