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基于HyperWorks的平衡軸有限元分析

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      平衡軸懸掛是重型卡車最重要的零部件之一,主要起平衡中、后橋所受載荷的作用。其結構由平衡軸、支架、軸殼等構成,因使用環境惡劣,用戶嚴重超載,導致平衡軸支架出現斷裂。以往開發的新平衡軸懸掛通常采用路試的方法驗證結構強度,該方法成本高、周期長,而利用有限元分析軟件進行結構強度分析更加準確和快捷。為此,采用一種行之有效的新方法來設計平衡軸懸掛,并對其進行強度校核計算和優化是十分必要的。
      圖是市場反饋的一種平衡軸懸掛支架開裂的情況,該平衡軸懸掛以前搭載于6×4公路載貨車,核定的載重不超過40t,未出現平衡軸支架開裂現象。現在主機廠為了降低成本,將此款平衡軸懸掛搭載于8×4公路自卸車,在實際使用過程中,個別用戶嚴重超載,載重甚至達到60t,導致支架開裂。
      為了滿足客戶使用要求,必須對平衡軸懸掛的結構進行分析和優化。
      圖是用UGNX7.5建立的平衡軸懸掛3D模型,使用UG建模簡單,易于修改。
      利用HyperWorks中Hypermesh12.0建立有限元模型,支架、平衡軸采用二階10節點四面體單元,推力桿、橋、板簧等簡化成一維Bar單元,采用CBEAM模擬輪胎。圖4是實體結構有限元模型,圖5是平衡軸懸掛有限元模型。
      在Hypermesh12.0中,設置材料mat name:QT500-7,type:ISOTROPIC,card image:MAT1;mat name:42CrMo,type:ISOTROPIC,card image:MAT1.在Card Edit中輸入表1中的彈性模量和泊松比。
      設置屬性:type:3D,cardimage:PSOLID,并將屬性賦予支架和軸。
      在Hypermesh12.0中導入平衡軸支架三維實體模型,如圖3所示。設置好網格參數后,利用Automesh劃分網格,如圖5所示。
      平衡軸懸掛工作時主要受到整車自重及貨物的重量。一般中后橋承載重量為整車總重的70%,即為平衡軸懸掛所受的重力。本款平衡軸懸掛所搭載的車型,額定總重量為40 t,平衡軸懸掛所受載荷28 t。考慮到客戶超載情況,整車總重量加到60t,平衡軸懸掛所受載荷42t。分別計算在這兩種載荷作用下,平衡軸懸掛的應力情況。加載如下:
      彎曲工況下,Z向-1g重力加速度;沖擊工況下,Z向-2.5g重力加速度。
      根據支架斷裂情況,重點考察圖6重要區域的應力情況。
      將建立好的有限元模型,利用OptiStruct求解器進行求解,用HyperView查看結果。
      載重為40t時,對由于連接引起的孔周應力失真不予考慮。支架在各個工況下,各部分結構的應力如圖所示。
      從40t分析結果來看,該款平衡軸懸掛的結構能夠滿足使用要求。但現實中,用戶超載嚴重,最多超載到額定重量的50%,因此,進行60 t的分析是十分重要,也是具有參考價值的。
      載重為60 t時,對由于連接引起的孔周應力失真不予考慮。支架在各個工況下,各部分結構的應力如圖所示。
      為了滿足客戶要求,必須對平衡軸懸掛中支架的結構進行優化,優化后的結構模型如圖所示,將應力集中區域的圓弧由R5加大到R20,取消減重孔,增加2條加強筋。
      為了驗證改進效果,重新進行平衡軸懸掛的有限元分析,在整車載重60 t,沖擊系數2.5的工況下支架的應力圖如圖所示。


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