王新建，張 蕊，耿 杰，鐘海濤

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

中國汽車工程學會巴哈大賽（Baja SAE China）是由中國汽車工程學會主辦、在各院校間開展的小型越野賽車設(shè)計和制作的競賽[1]。轉(zhuǎn)向節(jié)作為賽車底盤系統(tǒng)一個重要的零部件，連接著雙橫臂獨立懸架的上下擺臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、制動卡鉗和輪轂，其作為四者之間的主要傳力部件，形狀較為復雜[2]。轉(zhuǎn)向節(jié)作為非懸掛質(zhì)量部件，一直是各車隊輕量化的主要研究對象之一，又由于賽道的復雜性，在比賽過程中也時常會有車隊因為轉(zhuǎn)向節(jié)的過度輕量化導致無法繼續(xù)進行比賽。因此，一款質(zhì)量輕、強度高的轉(zhuǎn)向節(jié)對于比賽來說至關(guān)重要。

本文將提取轉(zhuǎn)向節(jié)在典型極限工況下的載荷，結(jié)合ANSYS workbench有限元仿真對轉(zhuǎn)向節(jié)進行應(yīng)力應(yīng)變的仿真分析，通過形狀優(yōu)化設(shè)計來減輕轉(zhuǎn)向節(jié)的質(zhì)量，最后再次對轉(zhuǎn)向節(jié)進行應(yīng)力應(yīng)變仿真分析，校驗優(yōu)化設(shè)計。

1 轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計

轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計以鈑金焊接為基礎(chǔ)，立柱部分采用槽型作為主體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向梯形臂采用槽型與立柱焊接在一起，制動卡鉗安裝位采用平板與立柱垂直焊接；由于全地型賽車需要較高的離地間隙來提高通過性，因此將下懸臂安裝位提升到與轉(zhuǎn)向節(jié)軸同一水平面，并與轉(zhuǎn)向節(jié)軸一體加工，減少焊接帶來的強度損失，轉(zhuǎn)向節(jié)的上懸臂安裝位在保證不與輪輞干涉的前提下，與立柱槽型截面進行焊接。轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元仿真

2.1 受力分析

轉(zhuǎn)向節(jié)載荷的施加以上下懸臂安裝位以及轉(zhuǎn)向橫拉桿安裝位做為固定約束，利用緊急制動、急轉(zhuǎn)向、越過不平路面3種危險工況下輪上載荷作為輸入進行分析[3-7]。巴哈賽車參數(shù)如表1所示。

表1 巴哈賽車參數(shù)

2.1.1 緊急制動工況

緊急制動工況下轉(zhuǎn)向節(jié)軸上的大、小軸頸處受到輪胎經(jīng)軸承傳遞過來的縱向力及垂直反力，將其分解為法向反力FZ1和切向反力FX1。此時緊急制動及越過不平路面工況下的受力情況如圖2所示。

圖2 緊急制動及越過不平路面工況下的受力情況

法向反力為：

切向反力為：

2.1.2 急轉(zhuǎn)向工況

急轉(zhuǎn)向工況在側(cè)傾狀態(tài)下內(nèi)外兩輪所受的側(cè)向力和垂直反力不同，由此因側(cè)向力與垂直反作用力產(chǎn)生的力矩方向也不同，針對這一現(xiàn)象以左急轉(zhuǎn)向下的外側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)為研究對象，此時外側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)所承受的彎矩M1遠遠大于內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)所承受的彎矩M2。急轉(zhuǎn)向下的受力情況如圖3所示。

圖3 急轉(zhuǎn)向下的受力情況

法向反力為：

側(cè)向反力為：

由于FY1作用在車輪上，在將其平移到轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸處時，必須加上由FY1對車輪產(chǎn)生的力矩：

2.1.3 越過不平路面工況

在耐久賽道上賽車經(jīng)常要通過炮彈坑、輪胎陣、亂石堆等路況。因此，在給定動載系數(shù)時將動載系數(shù)提升到2.5來研究賽車越過不平路面工況下的轉(zhuǎn)向節(jié)垂直受力。由于賽道上的這些障礙相對于該巴哈賽車的車輪來說較大，在經(jīng)過這些障礙時整車的縱向受力也較大，因此還應(yīng)給定一個縱向動載系數(shù)0.8共同作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上。此路面工況下的受力情況為：

2.2 劃分網(wǎng)格

將經(jīng)過焊口補齊、整體合并后的模型導入ANSYS workbench模塊中。首先，對模型進行材料屬性的添加，其轉(zhuǎn)向節(jié)的材料采用30 CrMo，彈性模量E=2.11×1011（N/m2=pa），泊松比μ=0.279，屈服強度σs：≥785（80）（MPa），密度 ρ=7.85×103（kg·m3），安全系數(shù) n=2，許用應(yīng)力[σ]= σs/2=392.5 MPa；其次，采用網(wǎng)格劃分在模型外面生成六面體單元；再次，向內(nèi)拖拉成塊；最后，在內(nèi)部添加錐形四面體單元，通過relevance模塊和relevance center模塊對可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方進行網(wǎng)格細化；最終得到49 529個節(jié)點、28 713個單元，轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型如圖4所示[5]。

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型

2.3 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元分析

在上懸臂安裝位、下懸臂安裝位、轉(zhuǎn)向橫拉桿位施加X、Y、Z 3個方向位移約束，在轉(zhuǎn)向節(jié)的軸承安裝位上施加式（1）—式（8）計算所得的3種工況下所受的力及力矩后，提交給后處理進行計算分析，得到3種工況下等效應(yīng)力如圖5—圖7所示。

轉(zhuǎn)向節(jié)在制動工況下的最大應(yīng)力點出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向節(jié)軸與立柱交點截面的正上方，為36.57 MPa；急轉(zhuǎn)向工況下的最大應(yīng)力點出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向梯形臂與轉(zhuǎn)向節(jié)軸焊接處的軸前處，為33.08 MPa；越過不平路面工況下的最大應(yīng)力點出現(xiàn)在緊急制動工況下的最大應(yīng)力點附近，為52.735 MPa。因此，上述最大應(yīng)力均遠小于許用應(yīng)力392.5 MPa，具有優(yōu)化的空間。

圖5 緊急制動工況等效應(yīng)力圖

圖6 急轉(zhuǎn)向工況等效應(yīng)力圖

圖7 越過不平路面工況等效應(yīng)力圖

3 形狀優(yōu)化

ANSYSshapeoptimization（形狀優(yōu)化模塊）是ANSYS中具有測試功能的一個模塊[8]。使用形狀優(yōu)化模塊可將結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)計算到“極限”值，根據(jù)模型有限元分析的受力情況，以優(yōu)化目標中的減重目標，依次將模型中受力較小的單元移除的一種方法。

3.1 形狀優(yōu)化的定義

形狀優(yōu)化分為3個部分：賦予材料屬性、劃分網(wǎng)格；定義邊界條件、施加載荷以及定義優(yōu)化目標；進行形狀優(yōu)化。

首先，形狀優(yōu)化模塊中的前處理是基于網(wǎng)格劃分與材料賦予。其次，把上懸臂安裝位以及下懸臂安裝位設(shè)置為固定約束。由于巴哈賽車運行工況惡劣，在某一時刻可能會發(fā)生3種極限工況同時出現(xiàn)的情況，因此將3種工況下的受力合并后統(tǒng)一乘以1.5倍的安全系數(shù)施加在轉(zhuǎn)向橫拉桿安裝位、制動鉗安裝位以及轉(zhuǎn)向節(jié)軸上，以保證在各種工況下轉(zhuǎn)向節(jié)均能滿足其使用要求。最后，將顯示選項設(shè)置為非平均值，優(yōu)化目標為減重30%，運行ANSYS軟件得到轉(zhuǎn)向節(jié)形狀優(yōu)化結(jié)果，拓撲優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 拓撲優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)

從圖8可以看出，在轉(zhuǎn)向梯形臂以及制動卡鉗安裝板中材料有冗余，其傳動力主要通過輪廓的邊沿部分傳遞。分析圖8與3種工況下的應(yīng)力分布圖發(fā)現(xiàn)，除各零件安裝位以及立柱與轉(zhuǎn)向節(jié)軸、梯形臂、制動卡鉗安裝板連接處外，其他位置均可進行減重設(shè)計。

3.2 轉(zhuǎn)向節(jié)最終結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)等效應(yīng)力云圖與拓撲優(yōu)化分析結(jié)果，最終確定的轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)如圖9所示。該結(jié)構(gòu)在立柱、轉(zhuǎn)向梯形臂以及制動卡鉗安裝板上進行了大量的圓形孔結(jié)構(gòu)的減重。

圖9 最終確定的轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)

為使最終優(yōu)化完成的轉(zhuǎn)向節(jié)滿足其剛強要求，再次建立新結(jié)構(gòu)的有限元模型，并利用3種工況下的載荷進行強度校核，強度校核如圖10-圖12所示。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)滿足其使用要求，強度均小于乘以安全系數(shù)后的材料屈服強度320 MPa，應(yīng)變也無變大趨勢。優(yōu)化前后對比如表2所示。

圖10 緊急制動工況強度校核

圖11 急轉(zhuǎn)向工況強度校核

圖12 越過不平路面工況強度校核

表2 優(yōu)化前后對比

4 結(jié)語

本文在確立了轉(zhuǎn)向節(jié)基本要求后，利用UG建模導入ANSYS結(jié)構(gòu)靜力學分析模塊，獲得了緊急制動、急轉(zhuǎn)向、越過不平路面3種典型極限工況下應(yīng)力云圖，分析得出其最大應(yīng)力均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸處，且均小于材料的許用應(yīng)力，因此認為該轉(zhuǎn)向節(jié)滿足靜力強度的要求，其主體、轉(zhuǎn)向梯形臂、制動安裝板等處存在較大冗余量。結(jié)合ANSYSshapeoptimization（形狀優(yōu)化模塊）對轉(zhuǎn)向節(jié)進行了輕量化設(shè)計，通過對設(shè)計的轉(zhuǎn)向節(jié)進行結(jié)構(gòu)靜力學分析的校驗，顯示該轉(zhuǎn)向節(jié)滿足其設(shè)計的強度、輕量化及其使用要求，同時利用此方法進行輕量化輔助設(shè)計，在一定程度上提高了設(shè)計效率。