孔丹，馬明生，郭帥

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基于ANSYS Workbench對(duì)轉(zhuǎn)向拉桿各工況的仿真分析

孔丹，馬明生，郭帥

（泰安航天特種車有限公司，山東 泰安 271000）

在汽車整體式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，轉(zhuǎn)向拉桿的設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工況要求有著重要影響。通常對(duì)轉(zhuǎn)向拉桿的設(shè)計(jì)計(jì)算都以正常轉(zhuǎn)向工況的極限位置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，但是在車輛實(shí)際使用過程中，由于特種汽車的使用環(huán)境惡劣，駕駛?cè)藛T不能正確判斷車輛是否可以順利通過。文章將利用ANSYS Workbench軟件模擬拉桿受力情況，確認(rèn)設(shè)計(jì)工況是否可以滿足實(shí)際使用工況要求。

轉(zhuǎn)向拉桿；ANSYS Workbench；工況

前言

在汽車整體式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，轉(zhuǎn)向拉桿的設(shè)計(jì)對(duì)車輛行駛工況要求有著重要影響。本文將利用有限元分析軟件模擬拉桿受力情況[1]，對(duì)拉桿的三維裝配模型施加載荷，得到拉桿在各種受力情況下的應(yīng)力分布圖[2]，確認(rèn)設(shè)計(jì)工況是否可以滿足實(shí)際使用工況要求。

1 拉桿的受力計(jì)算

在傳統(tǒng)拉桿設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，通?？紤]車輛滿載情況下，原地轉(zhuǎn)向時(shí)拉桿的受力情況。本次研究的特種汽車斷裂的拉桿為五橋橫拉桿，因此，對(duì)五橋滿載11.2t情況下的原地轉(zhuǎn)向阻力矩進(jìn)行計(jì)算。

原地轉(zhuǎn)向阻力矩采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

橫拉桿最大受力F1= M1/五橋橫拉桿最小力臂長(zhǎng)= 22372.6N

根據(jù)駕駛員反饋，發(fā)生拉桿斷裂時(shí)，車輛正在進(jìn)行爬坡試驗(yàn)，當(dāng)路面人員發(fā)現(xiàn)車輛三、四橋出現(xiàn)懸空情況時(shí)，立即指揮駕駛員停車，從坡上倒車，此時(shí)，五橋橫拉桿發(fā)生斷裂。

三橋、四橋懸空情況下，五橋載荷已達(dá)到30.6t。

2 運(yùn)用ANSYS Workbench進(jìn)行有限元分析

2.1 建立三維模型

運(yùn)用三維建模軟件Pro/e建立五橋橫拉桿的三維模型，橫拉桿兩端球鉸連接，為二力桿，受力方式為拉壓，為簡(jiǎn)化模型，將球頭螺紋及調(diào)整管不予考慮，故計(jì)算時(shí)只載荷直接施加于縱拉桿中段，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相近。三維模型如圖1所示。

圖1 五橋橫拉桿三維簡(jiǎn)化模型

2.2 進(jìn)行網(wǎng)格劃分

將五橋橫拉桿三維簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入ANSYS Workbench1，ANSYS Workbench將自動(dòng)定義各組件之間的接觸方式，定義模型材料為Q345鋼，對(duì)模型自動(dòng)化分網(wǎng)格。五橋橫拉桿三維簡(jiǎn)化模型共劃分成58250個(gè)節(jié)點(diǎn)，57670個(gè)單元，劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示。

圖2 五橋橫拉桿有限元模型

2.3 約束及載荷施加

在ANSYS Workbench中進(jìn)行約束及載荷施加時(shí)，將拉桿一端進(jìn)行固定約束，用以模擬從動(dòng)轉(zhuǎn)向的一側(cè)，一端施加壓力，用以模擬拉桿受力。五橋橫拉桿約束及加載情況如圖3所示。

根據(jù)本文第1節(jié)計(jì)算結(jié)果，分別施加F1=22372.6N、F2=101037N進(jìn)行仿真。

圖3 五橋橫拉桿約束及加載情況示意圖

2.4 仿真結(jié)果

圖4、圖5分別為應(yīng)力F1=22372.6N、F2=101037N時(shí)，五橋橫拉桿的應(yīng)力分布圖。

圖4 五橋橫拉桿Von Mises Stress云圖

圖5 五橋橫拉桿Von Mises Stress云圖

2.5 結(jié)果分析

本文五橋橫拉桿材料為Q345鋼，抗壓（拉）屈服強(qiáng)度為345Mpa，抗拉強(qiáng)度極限為490 Mpa~620Mpa。取安全系數(shù)為1.5[3~4]，五橋橫拉桿的許用應(yīng)力[σ][5]=490Mpa/1.5=326 MPa。

五橋滿載，原地轉(zhuǎn)向工況下，五橋橫拉桿最大應(yīng)力為281MPa，沒有超過許用應(yīng)力[σ]=326MPa，即此工況可以滿足拉桿工作性能要求。

三、四橋懸空，原地轉(zhuǎn)向工況下，五橋橫拉桿最大應(yīng)力為1677.1MPa，超過許用應(yīng)力[σ]=326MPa，即不能滿足拉桿工作性能要求。需對(duì)此拉桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高安全系數(shù)，并加強(qiáng)操作人員培訓(xùn)，嚴(yán)禁車輛滿載三、四橋懸空的工況下行車。

3 總結(jié)

本文通過Pro/e三維建模以及ANSYS有限元分析，分別模擬了五橋橫拉桿在設(shè)計(jì)工況及實(shí)際工況受力情況，得到了最大應(yīng)力的具體數(shù)值，為確定該設(shè)計(jì)工況是否符合實(shí)際要求提供了有力依據(jù)。但這僅是一種模擬分析計(jì)算，只能作為一種參考數(shù)據(jù)，與實(shí)際情況仍然存在一定的差距[6]。因此，后續(xù)將制作試驗(yàn)樣件，建立力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)拉桿進(jìn)行各工況環(huán)境下的試驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠。

[1] 孫新民.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)用教程[M].北京:人民郵電出版社, 1999.

[2] 謝里陽(yáng).現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法[M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

[3] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社, 2004.

[4] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五卷）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991.

[5] 濮良貴,紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）[M].高等教育出版社出版. 2006(5).

[6] Ming,Jie, Liu,Zhizhang, Zhang,Qingzhu. Solar photovoltaic panels wind load testing and analysis[Z]. 2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering,MACE2010,Wuhan, China, 2010:1632-1635.

The Force Analysis of Steering Rod under Various Working Conditions Based on ANSYS Workbench

Kong Dan, Ma Mingsheng, Guo Shuai

( Taian Aerospace Special Vehicle CO., LTD, Shandong Taian 271000 )

In the design and calculation of steering rod have important influence on the working condition of steering system. Generally, the design and calculation of steering rod are based on the limit position of normal steering conditions. However, in the actual use of vehicles, due to the harsh use environment of special vehicles, drivers cannot correctly judge whether the vehicles can pass smoothly. In this paper, ANSYS Workbench software is used to simulate the stress of the tie rod to confirm whether the design working condition can meet the requirements of the actual working condition.

steering rod; ANSYS Workbench; working conditions

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1671-7988(2019)03-105-02

U467

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1671-7988(2019)03-105-02

U467

孔丹，女，碩士研究生，就職于泰安航天航天特種車有 限公司，從事汽車底盤設(shè)計(jì)研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.032