基于ANSYS Workbench减震器支架组有限元分析置设计
作者：胡顺安 孙博 王振凯
来源：《专用汽车》 2011年第9期
胡顺安1
孙博2
王振凯1
1． 山东蓬翔汽车有限公司 山东烟台 265607
2． 三一重型装备有限公司 辽宁沈阳 1 10027
摘要：详细介绍了减震器支架组有限元分析时的模型前处理、边界条件设定及后处理等分析过程，并通过对减震器支架组的应力分析结果进行的评判，系统分析了该减震器支架组在不同载荷下的适用情况。
关键词：减震器支架组 有限元 应力分析
中图分类号：U463.33+5.1.02 文献标识码：A 文章编号：1004-0226(2011)09-0070-02
1 前言
根据市场反映，原先设计的减震器支架易从根部撕裂，后续产品可通过改进下推力杆支架和减震器支架的结构来满足产品的使用要求；但市场上已售出的产品因为下推力杆支架已经焊接在桥壳上，无法采用改进下推力杆支架的方式加以解决，急需返修，故提出采用改进减震器支架替代原减震器支架，并在局部采用加强筋，再将减震器支架和加强筋焊接在下推力杆支架上的返修方案。由于时间紧迫，无法用试验方法测出零部件所受应力的具体数值，暂故此通过有限元方法来评估该结构是否可行。文中对减震器支架组（即减震器、焊缝和加强筋的组件）采用ANSYSWorkbench 12.1软件进行有限元分析，主要分析减震器支架、焊缝最大应力和应力分布，通过对应力结果的评判，系统分析了该减震器支架组在不同载荷下的适用情况。
2模型简化及前处理
桥壳上减震支架的受力情况如图1所示，减震器支架受力F，减震器支架整体受弯曲应力作用产生弯矩，弯矩值大小与减震器支架受力的中心孔到桥壳中心的距离有关，与桥壳的轮距无关，因此，可以将此数模简化，其数学模型简化情况见图2。
因为分析的重点是减震器支架、加强筋和焊缝的强度，所以在图2中对于桥壳、下推力杆支架都可以采用简化画法，而不作为关注对象。整个数模共有6个零部件：即减震器支架、焊缝、下推力杆支架、桥壳和加强筋。根据所要分析的零部件以及焊接情况，可以将焊缝、加强筋和减震器支架组成一个新的零部件（称减震器支架组）。如图3为所示，经过前处理后，整个数模只存在3个零部件。其中桥壳和加强筋材料为Q460CL，下推力杆支架和减震器支架材料为ZG270-500，焊接材料E501T-l，溶合后焊缝处的强度一般略高于母材，其性能分析时可按母材性能定义，数模中材料性能参数如表1所示。
3接触条件设定
下推力杆支架与桥壳、加强筋与下推力杆支架、焊缝与下推力杆支架均为绑定接触。在设定以上接触时，需同时满足2个隐含条件：即目标体的网格划分比接触体粗大，目标体设定接触面比接触体设定接触面大。
4网格划分情况
所有零部件都采取四面体Patch Conforming Method进行划分，桥壳采用30 mm、推力杆下支座下支座采用15 mm，而对于新零部件（即减震器支架组）则根据分析精度的需要，采用5 mm、4mm和3 mm进行划分。另外根据数模分析和接触情况，接触部位也是重点分析的重点关注部分，因此将对3处接触采用3 mm和2mm进行细分，网格划分情况如图4所示。
5边界条件设定
根据减震器支架受力情况，设定动载系数为2。在分析中，分别施加不同载荷（即4t、2t、1t），采用大小不等单元进行分析。约束设定桥壳两端端面，一端为全约束，另一端放松x轴。
6求解部分
根据上述分析，该有限元分析应重点关注减震器支架强度、焊缝强度，因此求解时重点分析减震器支架的Mises应力和抗拉强度、焊缝的Mises应力和抗拉强度。
7后处理及评判
图5为载荷4t情况下，体网划分格为3 mm，接触部位网格划分为2 mm时减震器支架组的应力云图。图5(a)显示的是减震器支架的Mises Stress，其最大值出现在焊缝下端与减震器支架连接处附近，此处应力是由于直角边网格划分造成的应力奇异，应舍弃，实际的最大应力应出现在减震器支架与焊缝的结合处；图5(b)显示的是减震器支架最大拉应力，即第一主应力，其发生位置为与焊缝中部结合处附近；图5(c)显示的是减震器支架组建的最大拉应力，发生在焊缝中部。
表2是在各种载荷和采用不同网格密度划分情况下的最大应力值，Misesl表示的是减震器支架的Mises应力的最大值，拉应力1是减震器支架的第一主应力（即最大拉应力）；Mises2表示焊缝的Mises应力的最大值，拉应力2是焊缝第一主应力。
表2采用Mises应力和拉应力（即第一主应力）来综合判断，根据强度理论，金属塑性材料一般可采用第三或第四强度理论，对表2中的Mises应力和拉应力（第一主应力）进行综合判断。该分析中采用Mises应力分析，对应为第四强度理论，但可采用第一主应力（即第一强度理论）来判断零部件结构表面受拉和受压的情况，通过Mises应力和第一主应力的应力分布情况可以更好地判断零部件易损坏的部位。根据表1中的材料性能参数，通过表2中的Misesl和Mises2计算减震器支架组的安全系数，可以评判分析结果是否满足使用要求，结果如表3所示。
根据表2数据和表3的评判结果可知，在载荷4t和载荷2t的情况下，减震器支架组会发生失效；在载荷It的情况下，减震器支架组满足使用要求。
8结语
综上所述，减震器支架组在1t载荷情况下，其最大应力出现在焊缝中部附近，通过分析，强度满足使用要求。通过后续与主机厂沟通，在整车设计时，该减震器支架所受垂直方向的力不会超过4 800N，因此该返修方案是可行的。
