強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性是材料力學(xué)中提到的構(gòu)件的三要素，但在乘用車(chē)底盤(pán)懸架開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一些結(jié)構(gòu)件在受壓時(shí)由于承載力不足而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的功能失效，這類(lèi)問(wèn)題稱(chēng)為屈曲問(wèn)題。

 

目前在乘用車(chē)底盤(pán)懸架系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，受壓結(jié)構(gòu)件常常由于承載能力不足而發(fā)生屈曲失效。一些薄壁件在承受較大壓力時(shí)，也容易發(fā)生屈曲。汽車(chē)底盤(pán)下控制臂，也叫三角臂，其作為汽車(chē)懸架系統(tǒng)中傳力和導(dǎo)向的重要部件，其一端通過(guò)球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)連接，另一端通過(guò)襯套與副車(chē)架連接，控制臂將作用在車(chē)輪上的載荷傳遞給車(chē)身和底盤(pán)。

 

如果前下擺臂失效將直接影響車(chē)輛的正常行駛，所以對(duì)其進(jìn)行屈曲強(qiáng)度分析非常有必要。

 

有限元模型建立

準(zhǔn)確的前下控制臂的有限元模型是保證分析結(jié)果正確的前提。有限元模型的建立包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、材料賦予、載荷施加等。圖 1 為某車(chē)型的前下控制臂模型，確定控制臂的硬點(diǎn)位置，應(yīng)用 rbe2 單元與網(wǎng)格進(jìn)行耦合，圖 2 為控制臂的有限元仿真模型。其中前下控制臂的材料牌號(hào)為 FB780，屈服強(qiáng)度 680MPa，抗拉強(qiáng)度為780MPa，材料的力學(xué)性能如表 1 所示，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖 3 所示。

 

應(yīng)用 Abaqus/Standard 對(duì)前下控制臂進(jìn)行屈曲仿真計(jì)算，在外點(diǎn)加載整車(chē) X 軸方向上的位移載荷，并且約束整車(chē)坐標(biāo)的 Z 軸方向的平移自由度，在其他兩個(gè)硬點(diǎn)處分別約束 123 自由度以及 23 自由度，邊界條件以及載荷的加載如圖 4 所示。

 

 

圖 1 控制臂的數(shù)模

 

圖 2 控制臂的仿真分析模型

 

表 1 材料力學(xué)性能

 

 

 

圖 3 應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

 

 

圖 4 邊界條件

 

屈曲仿真計(jì)算

得到前下控制臂的屈曲仿真計(jì)算結(jié)果，圖 5 為前下控制臂的應(yīng)力云圖。從應(yīng)力分布中可以看出，應(yīng)力集中在工具孔附近以及控制臂的起筋邊界處，而工具孔的左端受力較小，因此考慮在此處進(jìn)行減重處理。通過(guò)提取加載點(diǎn)的支反力和位移得到屈曲強(qiáng)度，圖 6 表示加載點(diǎn)的力和位移曲線(xiàn)，其峰值為前下控制臂的屈曲強(qiáng)度，為 39.95kN，而設(shè)計(jì)要求為 37.6kN 到 47kN 之間，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求并且具備減重空間。

 

 

圖 5 應(yīng)力云圖

 

 

圖 6 力-位移曲線(xiàn)

 

輕量化驗(yàn)證

根據(jù)后處理的結(jié)果對(duì)控制臂進(jìn)行減重處理，在工具孔的左側(cè)設(shè)計(jì)腰孔來(lái)達(dá)到輕量化的目的，如圖 7 所示。通過(guò)同樣的方法進(jìn)行仿真計(jì)算，得到和力-位移曲線(xiàn)，如圖 8 所示。由力和位移曲線(xiàn)可知，減重后的前下控制臂屈曲強(qiáng)度為 38.92kN，任在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，質(zhì)量由原來(lái)的 3.0kg 下降到 2.87kg。

 

 

圖 7 優(yōu)化后模型

 

 

圖 8 優(yōu)化后的力-位移曲線(xiàn)

 

材料對(duì)屈曲強(qiáng)度的影響

在屈曲強(qiáng)度的計(jì)算仿真過(guò)程中，考慮了材料的非線(xiàn)性問(wèn)題，所以本節(jié)對(duì)材料屬性對(duì)屈曲強(qiáng)度的影響進(jìn)行了討論。材料的原始力學(xué)性能如上述表 1 所示，屈服強(qiáng)度為 680Mpa，抗拉強(qiáng)度為 780Mpa，抗拉延伸率為 15%。在結(jié)構(gòu)不變的條件下，分別調(diào)整屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及抗拉延伸率，再擬合得到其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，然后賦予前下控制臂的材料屬性，最后對(duì)比屈曲強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果。調(diào)整后的材料力學(xué)性能如表 2 所示。

 

表 2 材料性能屬性

 

 

通過(guò)擬合原始材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)得到調(diào)整后的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，將這四種材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)賦予到前下控制臂的有限元分析模型當(dāng)中并進(jìn)行屈曲強(qiáng)度分析，得到的應(yīng)力云圖如圖 9 所示。加載點(diǎn)的力-位移曲線(xiàn)如圖 10 所示。相同結(jié)構(gòu)的條件下，不同應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的前下控制臂的屈曲強(qiáng)度有著明顯的差異。當(dāng)屈服強(qiáng)度增加 10%，屈曲強(qiáng)度由 38.4kN 增加到 40.7kN，增加 6%；當(dāng)抗拉強(qiáng)度增加 10%，屈曲強(qiáng)度由 38.4kN 增加到 38.8kN，增加 1%；當(dāng)延伸率增加 10%，屈曲強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化，如表 3 所示。因此可以得出結(jié)論，屈服強(qiáng)度對(duì)屈曲強(qiáng)度的影響最大，而抗拉強(qiáng)度和抗拉延伸率對(duì)屈曲強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。

 

 

圖 9 應(yīng)力云圖

 

 

圖 10 力-位移曲線(xiàn)

 

表 3 屈服強(qiáng)度增率

 

 

結(jié)束語(yǔ)

以某車(chē)型的控制臂為例，建立了屈服強(qiáng)度的有限元分析模型，分析結(jié)果表明：

(1) 前下控制臂原始模型的 X 方向屈曲強(qiáng)度為 39.95kN，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；

(2) 減重后的前下控制臂 X 方向屈曲強(qiáng)度為 38.92kN，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求同時(shí)減重 0.13kg；

(3) 屈服強(qiáng)度對(duì)屈曲的影響最大，而抗拉強(qiáng)度和抗拉延伸率對(duì)屈曲強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。

 

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