基于Abaqus的转向节转向球销装配变形的有限元分析

AUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计基于Abaqus有限元计算的电动助力转向管柱设计王佳良　许栋鹏　赵振川　白雪　王晓山　耿明阳博世华域转向系统（烟台）有限公司 研发技术科 山东省烟台市 265500摘 要： 随着国内汽车行业及新能源汽车领域的快速崛起，产品变革周期缩短，汽车转向系统的研发周期被大幅度压缩。

但随着国内主机厂发布的技术要求各项参数要求的日益严苛，甚至超过合资企业，使得转向系统设计开发面临压力。

本文举例一种电动助力管柱，介绍基于Abaqus有限元仿真软件，通过对主要的技术性能要求（管柱溃缩、静态强度、调节机构强度和刚度、驱动单元强度及管柱的强度等）快速、准确地计算，数据结果证明该思路可以有效缩短转向管柱机械结构设计开发的周期，对于转向系统的设计开发周期而言，运用此方法可以整合出更多的资源进行系统匹配。

关键词：转向管柱　Abaqus　有限元计算　设计开发周期1　引言汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要，因此汽车转向系统的零件都称为保安件，其产品性能及可靠性必须满足整车设计和法规[1]。

转向管柱是汽车转向系统中重要的组成环节，其基本作用是将方向盘的转动通过转向机传递到轮毂上，起到控制汽车转向的作用。

其次，汽车是一个复杂的动态系统，面临着各种各样复杂的工况考验，对于转向系统而言，所要面对的工况也是极其复杂的。

目前，随着国内主机厂对整车技术要求日益增高，对转向管柱的一些重要性能，如管柱溃缩曲线、静态强度、调节机构强度和刚度、驱动单元强度及管柱的强度等，会遇到设计完成OTS验证阶段出现达不到技术规范的要求情况，客户会产生大量抱怨，最终会通过赔偿或者签订偏差的形式进行弥补。

针对转向管柱这一情况，本文通过举例一款电动助力管柱设计开发验证过程，通过有限元计算验证各个重要局部小总成性能，最后汇总为转向管柱总成性能，实现转向管柱结构计算、验证及优化的目的，有效避免设计过程中缺陷及性能不达标的问题。

基于Abaqus的转向器壳体强度分析及结构优化Strength Analysis and Structure Optimization of Steering Gear Housing Based on Abaqus曹良丹,于艇Cao Liangdan, Yu Ting富奥汽车零部件股份有限公司Fawer Automotive Parts Limited Company摘要:本文采用Abaqus/CAE软件对某商用车转向器壳体进行有限元分析，仿真获得转向器壳体结构应力分布云图，发现在壳体外部加强筋区域出现了应力集中，这些结构在实际工作中容易被破坏，故对此进行了优化；优化后的结构在两应力集中部位应力值依次减少了96.5 MPa 、66.9 MPa ，改进效果明显，为新转向器产品开发和结构设计提供理论依据。

关键词: Abaqus，转向器壳体，应力集中，结构优化1. 前言汽车转向器又名转向机、方向机，其作用是把来自转向盘的转向力矩和转向角进行适当的变换（主要是减速增矩），再输出给转向拉杆机构，从而使汽车转向。

它是汽车转向系统中的最重要部件。

随着科技发展，转向器设计性能提高，内部油压不断提高（张磊，2014）。

本文中所分析某商用车转向器产品由老一代改型而来，油压由12MPa增大到15MPa，致使其结构强度不能满足要求，故对其进行改进。

2. 有限元计算模型和边界条件本文以某型号转向器壳体为研究对象，利用CATIA软件生成三维几何模型，使用HyperMesh软件进行四面体网格划分，网格划分完成后，模型节点总数约为42.1万，网格总数约为70.2万，建立完成的传动轴有限元模型如图1所示。

其中，图1中五个箭头所指为螺栓安装点，此安装点将壳体固定（与车身连接处）；转向机工作油压为15MPa（即壳体加压15MPa），除此之外，无其他外力，亦不考虑重力场作用（石亦平，2006）。

2016 SIMULIA 中国区用户大会12 2016 SIMULIA 中国区用户大会图1. 有限元计算模型.3. 计算结果及优化分析3.1 原模型计算结果图2. 转向器原模型整体应力分布云图.2016 SIMULIA 中国区用户大会 3图3. 转向器原模型局部应力分布云图.本文选用Abaqus/Standard 求解器求解（ABAQUS User’s Manual ），仿真获得了原模型的整体和局部应力分布云图，如图2、图3所示。

基于ABAQUS的反力平台工况有限元分析基于ABAQUS的反力平台工况有限元分析反力平台是一个用于测试车辆制动系统性能的设备，它通过施加不同的制动力和速度来测试车辆的刹车表现。

在运行过程中，反力平台必须承受大量的载荷，所以需要进行有限元分析来确保其强度和稳定性。

本文将介绍如何使用ABAQUS进行反力平台的有限元分析。

首先，需要绘制反力平台的三维模型。

模型中应包括支撑结构、刹车片、测试轮胎等关键部件。

在绘制模型时应注意准确反映反力平台的实际情况，包括尺寸、材料、连接方式等。

接下来，应根据实际使用条件设置载荷。

反力平台的主要载荷是来自汽车制动系统的制动力和制动时间，在有限元分析中可以将这些载荷分别设置为分布力和控制荷载。

其中，分布力是沿着支撑结构的方向施加，控制荷载则可以通过ABAQUS的控制台进行调整。

模拟载荷施加后，应对模型进行网格划分。

网格质量的好坏对有限元分析的准确性有着很大的影响。

在划分网格时应注意使网格数量适中，避免出现太稀疏或太密集的情况。

同时，考虑到反力平台的复杂形状，可采用ABAQUS的自适应网格技术，在关键部位设置更加精细的网格。

在网格划分完成后，可以进行反力平台的有限元分析。

通过计算模型在载荷作用下的应力和变形，可以评估其强度和稳定性。

在评估过程中，应注意模型在各种实际使用条件下的表现，比如制动力、速度、温度等因素对模型的影响。

最后，通过有限元分析得出的结果可以用来指导反力平台的优化设计。

比如，如果模型在受到高强度载荷时产生了过大的应力，可以对其结构进行优化改进，提高其承载能力。

此外，可以根据分析结果对反力平台的使用方法和维护要点进行调整，以保证其长期稳定性和安全性。

综上所述，基于ABAQUS的反力平台工况有限元分析可以帮助我们评估反力平台在实际使用情况下的表现，提高其设计和使用的效率和安全性。

同时，该方法也可以应用于其他类似的结构性设备的分析和优化设计。

数据分析是从大量的数据中去提炼有价值的信息和知识的过程。

十字轴万向节建模及有限元分析
建模主要涉及以下几个步骤：
1. 创建十字轴万向节的几何模型。

使用CAD软件，如SolidWorks或CATIA，绘制十字轴万向节的细节，包括其轴、连接杆、球头等部分。

2.导入几何模型。

将绘制的CAD模型导入有限元分析软件，如ANSYS
或ABAQUS。

确保准确导入，并调整模型的比例和尺寸。

3.设置材料属性。

为十字轴万向节的各部分分配适当的材料属性，如
弹性模量、泊松比和密度。

这些属性可以从材料手册或实验数据中获取。

4.设定加载条件。

根据实际工作条件，为模型设置加载条件，例如施
加在轴上的转矩或扭矩。

5.网格划分。

将几何模型进行网格划分。

网格划分决定了模型的节点
和单元数量，将直接影响分析的准确性和计算效率。

6.运行有限元分析。

使用有限元分析软件运行模型，计算出十字轴万
向节在加载条件下的应力、应变和变形等。

7.分析分析结果。

根据分析结果，评估十字轴万向节的性能和可靠性。

检查是否存在应力过高或变形过大的情况，并决定是否需要进一步改进设计。

需要注意的是，建模和有限元分析是一种模拟和预测方法，其准确性
取决于几个因素，如几何模型的精度、材料属性的准确性和加载条件的真
实性。

因此，在建模和分析过程中应谨慎选择合适的参数，并在可能的情
况下与实际测试结果进行验证。

基于Abaqus的过盈装配有限元分析作者：刘长虹陈亮林妹妹翟红章来源：《计算机辅助工程》2013年第05期摘要：针对某结构固定孔与套筒的过盈装配问题，利用Abaqus/Explicit建立该结构过盈装配的显式积分有限元分析模型.将固定孔视为可变形材料，采用八节点三维实体单元划分网格；将套筒定义为不变形的刚体结构，采用四节点离散刚体壳单元划分网格.通过对孔边应力分布情况的分析，说明计算结果与实际装配问题的一致性.最后对过盈装配中出现的偏心问题和采用壳单元建立有限元模型出现的问题进行讨论.关键词：过盈装配工艺；有限元分析； Abaqus中图分类号： TH123； TB115.1文献标志码： B引言在工程实际生产问题中，过盈装配是常用的一种装配工艺，也是工程技术人员关注的问题之一.在某企业电子产品的生产过程中，通常采用过盈装配技术将螺钉套管安装到电子产品封装盒固定孔里，但在生产过程中时常出现装配孔开裂现象.因此，了解螺钉孔在安装过程中的应力分布情况是合理设计该产品过盈装配工艺的重要问题.本文采用Abaqus/Explicit建立一个固定孔与螺钉套筒的显式积分有限元模型，模拟该产品过盈装配工艺的过程.1结构过盈装配的有限元模型根据某电子产品封装盒的螺钉孔结构，考虑到螺钉套孔为金属材料，其刚度远大于制成封装盒所采用的工程塑料材料，可忽略其装配时的变形.套筒直径比固定孔直径大，超过固定孔直径0.2 mm，定义套筒为Abaqus/Explicit中的离散刚体，采用离散刚体中四节点壳单元R3D4；装配孔结构定义为可变形结构，采用八节点六面体三维实体单元C3D8R.材料的弹性模量为3 GPa，泊松比为0.4，质量密度为1 500 kg/m3.为获得质量较高的有限元网格[13]，本文首先采用建立多个形状简单的“Part”；然后通过“Assembly”组合成装配孔结构的形状；再用命令“Merge/Cut Instances→Geometry Intersecting Boundaries→Retain”将各个简单结构连接成一个整体；最后采用“Tools→Patition→Create Partition”命令，将结构切割成一个可以划分较高质量网格的装配孔有限元模型，见图1.八节点三维块体单元C3D8R数量为2 862个，四节点离散刚体壳单元R3D4数量为1 087个，整个结构共有5 046个节点.图 1套孔过盈装配的有限元模型在模拟装配过程中，将加载曲线定义为“Amplitude→Tabular”，采用位移控制方式加载方式.2过盈装配的有限元结果验证对建立的过盈装配有限元模型进行求解，得到在装配过程有限元分析中的von Mises等效应力分布云图（见图2）、装配孔边缘路径的等效应力曲线（见图3）和装配孔边缘路径的压力曲线（见图4）.从有限元计算结果可知，在过盈装配过程中，电子封装盒螺钉孔周围的应力分布不均：在孔边缘靠近固定的根部区域应力最大，在远离根部的孔边缘等效应力也比较大.由图3和4可知，压力值在靠近边缘和根部区域最大.注意到在该项工程中，封装盒螺钉孔最外侧部位被设计成结构注塑成型的熔接线位置，而熔接线处是该工程塑料结构成型后最容易出现空洞和缺陷的部位，显然，从有限元分析结果可知，此为结构过盈装配易产生裂纹的部位.[4]图 2套孔过盈装配结构的等效应力云图图 3孔边缘路径的等效应力曲线图 4孔边缘路径的压力曲线根据该产品的实际装配工艺情况，可以验证上述情况确实是在过盈装配出现裂纹等问题的部位，由此证明有限元模型和计算结果的合理性.3分析和讨论在上述过盈装配模型的基础上，考虑偏心装配情况.将模拟螺钉套的离散刚体结构偏离圆孔中线，假设装配过程时，套管与孔对中的偏离误差量为套孔过盈量的10%，然后模拟装配过程.计算结果表明：当装配过程中套筒与固定孔对中出现误差，且偏差偏向于固定孔的外侧方向时，将会使装配孔根部的应力降低.这是由于在存在较小的偏心量情况下，偏心会导致在孔结构上产生附加拉应力，抵消在过盈装配过程中由于根部刚性大而产生的装配压应力情况.此外，如果将上述装配孔模型中的三维实体单元C3D8R改用四节点壳单元S4R建立模型，则可以很方便地进行网格划分，获得较高质量的网格，同时也可方便地模拟装配孔结构的加强筋.由于模拟套、空过盈装配过程时，可能会因壳单元形状畸变，导致计算失败，因此，在使用壳单元建立模型时，应使装配的过渡区域尽可能光滑过渡，避免壳单元发生畸变.4结束语Abaqus/Explicit模块可以有效地模拟电子封装盒螺钉孔的过盈装配过程.通过有限元分析可知，采用三维实体单元建立电子封装盒装配固定孔有限元模型是很有效的方法之一，但所建模型还需采用一些必要的辅助手段才能划分出较高质量的网格.此外，当装配孔的几何形状复杂会导致建立几何模型、划分网格的工作量大幅增加，随着模型单元数的增加，计算量和计算时间也将显著增加.如果采用壳体单元建立有限元模型，尽管划分网格容易，但必须根据装配过程的特点去掉接触部位的尖角和几何不连续处，以避免由于单元畸变导致无法计算的问题.可知，采用壳体单元建模，需要更多的技巧和有限元方面的理论知识.根据计算结果可知，由于在装配孔最外侧的应力较大，如果该部位存有缺陷，那么过盈装配时该部位必将产生裂纹.因此，建议在电子封装盒注塑成型时，避免将熔接线位置设计布置在应力较大的部位.参考文献：[1]庄茁，张帆，岑松，等. Abaqus非线性有限元分析与实例[M]. 北京：科学出版社，2005： 207237.[2]石亦平，周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京：机械工业出版社， 2006：963.[3]赵腾伦，姚新军. Abaqus 6.6在机械工程中的应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2007： 198430.[4]刘鸿文. 材料力学（I）[M]. 5版. 北京：高等教育出版社， 2015： 210252.（编辑陈锋杰）。

基于ABAQUS的轮轴配合的有限元分析作者：康东李越杨永伟范丽来源：《河南科技》2019年第01期摘要：本文基于ABAQUS对轮轴配合进行的有限元分析，分析了过盈量、摩擦系数、几何误差等对接触应力的影响。

结果表明：轮轴压装后接触应力沿轴向分布的总体趋势为中间低，两端高，高应力区的位置出现在轴毂配合面边缘附近，并有明显的应力集中现象;过盈量是造成轮对压装合格与否的主要原因。

关键词：过盈量;有限元;ABAQUS;接触应力中图分类号：TH131.7 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）01-0055-04Research on Axle Assembly Based on Finite Element Software ABAQUSKANG Dong LI Yue YANG Yongwei FAN Li（1. Chengdu Tongchuang Zhongyi Technology Limited Company，Chengdu Sichuan 610000;2.Sichuan Coal Industry Group Guangwang Company，Guangyuan Sichuan 628000）Abstract： In this paper， the finite element analysis of wheel-axle fit based on ABAQUS wa carried out， and the effects of interference， friction coefficient and geometric error on contact stress were analyzed. The results show that the overall trend of contact stress distribution along the axis is low in the middle and high at both ends. The location of the high stress zone appears near the edge of the hub mating surface， and there is obvious stress concentration phenomenon. The interference is the main reason for the qualifications of the wheelset pressing.Keywords： overflow fit;finite element;ABAQUS;contact stress在礦车轮对的装配过程中，目前被广泛所采用的方法是过盈连接，利用轮轴间的过盈量产生径向接触压力，在接触面会产生一个摩擦力，其可以改变扭矩和轴向力。

一、有限单元法的基本原理有限单元法（The Finite Element Method）简称有限元（FEM），它是利用电子计算机进行的一种数值分析方法。

它在工程技术领域中的应用十分广泛，几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可用它求得满意的数值结果。

有限元方法的基本思路是：化整为零，积零为整。

即应用有限元法求解任意连续体时，应把连续的求解区域分割成有限个单元，并在每个单元上指定有限个结点，假设一个简单的函数（称插值函数）近似地表示其位移分布规律，再利用弹塑性理论中的变分原理或其他方法，建立单元结点的力和位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程组，从而求解结点的位移分量. 进而利用插值函数确定单元集合体上的场函数。

由位移求出应变, 由应变求出应力二、ABAQUS有限元分析过程有限元分析过程可以分为以下几个阶段1.建模阶段: 建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型――有限元模型，从而为有限元数值计算提供必要的输入数据。

有限元建模的中心任务是结构离散，即划分网格。

但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。

2.计算阶段:计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。

由于这一步运算量非常大，所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成3.后处理阶段: 它的任务是对计算输出的结果惊醒必要的处理，并按一定方式显示或打印出来，以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并作为相应的改进或优化，这是惊醒结构有限元分析的目的所在。

下列的功能模块在ABAQUS/CAE操作整个过程中常常见到，这个表简明地描述了建立模型过程中要调用的每个功能模块。

“Part（部件）用户在Part模块里生成单个部件，可以直接在ABAQUS/CAE环境下用图形工具生成部件的几何形状，也可以从其它的图形软件输入部件。

基于Abaqus的转向节转向球销装配变形的有限元分析针对某车型转向球销与转向节装配后球销轴向位移过大问题，利用Abaqus/Explicit建立转向节与球销的显式积分有限元分析模型。

在不同的轴向力与锥孔面摩擦系数条件下，通过对转向节锥孔面的Mises平均应力分布情况、塑性变形量及表面正压力分布进行分析，得出影响塑性变形的因素。

标签：Abaqus；应力；有限元分析；塑性变形；摩擦系数1 概述在汽车转向节与转向球销实际装配过程中，由于球销固定螺母拧紧力矩过大或配合面摩擦系数设计不合理，装配后球销沿转向节锥孔方向位移过大，导致球销锁紧轴无法锁紧。

因此，在不同轴向预紧力及摩擦系数条件下，了解球销与转向节锥孔面的应力分布、表面压力、塑性变形情况是合理设计该产品的有效途径。

文章采用Abaqus/Explicit建立转向节与转向球销装配的显示积分有限元模型，模拟不同球销预紧力与不同摩擦系数条件下转向节锥面塑性变化情况。

2 转向节有限元模型的建立有限元模型在Abaqus中进行前处理，去除过小的倒角，由于考察部位位于转向节臂锥孔与球销接触面位置，而且只分析单一轴向力作用下锥孔的拉大行为，故对某车型转向节模型进行简化，简化前后模型如图1所示。

在球销端面施加轴向作用力模拟螺母拧紧过程中施加在球销上的作用力，在约束部位施加位移约束模拟螺母对转向节臂的约束作用。

3 网格划分考虑模型简化后的对称性以及面接触等因素，转向球销与转向节臂均采用六面体一阶单元进行网格划分[1-3]，单元数量5053，节点数量6071。

4 材料属性转向球销材料为40Cr，转向节臂材料为QT450，其材料特性均按照国家标准要求设定。

5 边界条件转向球销端面受到均布载荷作用，转向球销与转向节臂接触部位建立面接触条件，在螺母与转向节臂接触部位设置全固定位移约束。

轴向力分别施加1.9KN、2.1KN、2.3KN、2.5KN、2.722KN五组进行施加；接触面属性设定0.05、0.1、0.15、0.2四组摩擦系数μ进行对比分析（如图2所示）。

基于ABAQUS的万向节淬火应力有限元分析与优化设计本文主要介绍了基于ABAQUS的万向节淬火应力有限元分析与优化设计。

万向节作为一种重要的传动装置，在工程应用中被广泛使用。

但是万向节工作过程中会受到淬火过程中的应力的影响，这种应力可能会导致零部件的损坏及失效。

因此，对万向节的淬火应力进行分析和优化设计具有重要的实际应用价值。

本文结合实际工程案例，通过ABAQUS有限元软件对万向节淬火应力进行分析，并对应力进行优化设计，提高了万向节的耐用性。

首先，本文介绍了ABAQUS有限元软件的基本介绍及其在工程领域中的应用。

接着，本文对万向节的结构特点及其受力原理进行了分析，进一步了解了淬火过程中可能存在的应力问题。

然后，本文通过给定模型，运用ABAQUS软件进行模拟分析，得到了万向节淬火过程中的应力分布情况。

最后，本文对得出的数据进行优化设计，通过改变材料、加工工艺等方式，提高了万向节的抗淬火应力能力，从而提高了其使用寿命。

通过本文的研究，得出了以下结果：1）淬火过程中，由于温度和应力的变化，可能导致万向节受到热应力和残余应力的影响，进而引起零部件的变形和破坏；2）ABAQUS软件可以比较准确地分析和模拟淬火过程中的应力分布情况，提供了淬火工艺优化的依据；3）通过优化设计，可以采用更适合的材料和加工工艺，使万向节的性能更加优良。

总之，本文研究为实际工程提供了有益的参考和指导，也为淬火加工技术的进一步发展提供了一定的参考价值。

进一步，本文还对ABAQUS有限元软件分析和优化设计的具体步骤进行了详细说明。

首先，通过建立万向节淬火过程的有限元模型，进行数值分析，得到了其应力分布情况。

接着，通过分析得到的数据，找出应力集中的位置和原因，并提出了优化方案，如采用更合适的材料、改善加工工艺等。

最后，通过模拟优化后的设计方案，得到了改善后的应力分布情况，实现了对万向节淬火应力的优化设计。

本文的研究成果具有一定的实际应用价值。

基于ABAQUS的汽车方向盘模态仿真与试验分析徐小剑;段伟【摘要】针对某款汽车方向盘进行模态试验,得到第一阶固有振动频率小于厂家的要求值.根据模态试验状态使用有限元分析软件ABAQUS建立仿真模型,运用Standard隐式求解器进行求解.通过比较、分析两种结果验证仿真模型的建立是否准确,对方向盘结构做出更改和优化并进行有限元模态分析,模态满足企业要求.建模仿真过程极大提高了设计和开发的效率,降低了研发成本,提高了经济效益.【期刊名称】《上海工程技术大学学报》【年(卷),期】2019(033)001【总页数】4页(P31-34)【关键词】方向盘;模态分析;有限元;ABAQUS软件【作者】徐小剑;段伟【作者单位】安徽水利水电职业技术学院机械与汽车工程学院,合肥231603;安徽水利水电职业技术学院机械与汽车工程学院,合肥231603【正文语种】中文【中图分类】O34模态分析是确定结构或机械零部件的振动特性并得到结构固有频率和振型的过程.其中,模态是指机械结构的固有振动特性,每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型.根据计算方法不同,模态分析可分为计算模态分析和试验模态分析.计算模态分析,或称有限元模态分析,是指采用有限元计算方法,运用有限元分析软件得出;试验模态分析是指通过试验采集系统输入和输出信号经过参数识别得出.汽车方向盘与驾驶员直接接触,振动过大易导致驾驶疲劳,降低汽车行驶的安全性,许多学者和科研机构对此进行了研究.一汽海马汽车有限公司谯万成通过调整方向盘的模态频率,解决了怠速时方向盘的振动问题;长安汽车工程研究总院杨亮通过降低发动机怠速转速、优化驱动轴万向节结构及转向柱结构,提高了转向系统固有频率,降低了怠速时方向盘的振动.本研究综合运用有限元分析和模态试验两种方法,对某款汽车方向盘进行模态分析.针对结构中的不足,提出几种优化方案,重新验证直至符合企业要求.1 有限元模态分析方法的理论基础有限元法的系统平衡方程为(1)式中:M、C和K分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;分别为系统的加速度向量、速度向量和位移向量;R(t)为结构的激振力向量.模态与外部激振力无关,因为模态是系统的固有属性值.式(1)可转换为自由振动方程,即R(t)=0.通过求解该方程得到系统无外部激振力作用时的固有频率和振型.考虑到阻尼对结构模态的作用可以忽略,得到无阻尼自由振动方程为(2)令U(t)=Φsin[ω(t-t0)],变换为特征值方程KΦ=ω2MΦ=λMΦ(3)式中:ω和Φ分别为系统的固有频率和振型.2 试验模态和有限元模态的分析比较汽车方向盘主体由骨架、泡沫壳体、安全气囊和电路等构成.骨架起主要承载作用,它决定方向盘的机械性能.因此,本研究的模态分析对象就是骨架部分.方向盘骨架一般通过冲压、焊接或者铸造等工艺由金属材料制成,可分为辐板、轮辐和轮缘.方向盘骨架的外表面由泡沫壳体包裹,这样可以提高外在美观性、操纵舒适度并方便其他部件的安装.汽车方向盘结构如图1所示.图1 方向盘结构Fig.1 Structure of steering wheel2.1 试验模态分析对于结构较轻、阻尼较小的方向盘,本研究采用锤击试验法研究模态,即单击拾振法.首先,分别测量激振力及相应的信号响应,计算得到系统传递函数;再搭建系统模型,并通过适当的方法进行模态拟合求出各阶模态参数(包括固有频率和相应振型).频响函数公式为Hab(jω)=Xa(jω)/Fb(jω)(4)式中:Hab(jω)为频响函数;Xa(jω)为响应;Fb(jω)为激励.方向盘样品按照一定的姿态安装在试验台上,底部固定,即6个方向自由度皆被约束.借助敲击锤施加垂直脉冲激励于方向盘的12点钟处,利用振动加速度传感器测出垂直振动加速度,最后通过频响函数Hab(jω)曲线拟合方法求得系统的振动模态.汽车方向盘试验样品如图2所示.图2 汽车方向盘试验样品Fig.2 Test sample of steering wheel2.2 有限元模态分析方向盘模态的模拟主要以骨架为研究对象,基于上述模态试验的样品和设备建立仿真模型.参照模态试验时样品安装姿态,选取方向盘骨架和泡沫壳体,使用ABAQUS 软件建立有限元模型.在软件中同时定义载荷和约束,以确保仿真模型和模态试验样品处于相同状态.有限元模型载荷和约束定义如图3所示.图3 有限元模型定义Fig.3 Definition of finite element model本研究中有限元模型使用实体单元建模,将方向盘的CAD数据导入ABAQUS软件中进行网格划分.因为方向盘骨架是主要的承载结构,泡沫壳体是辅助结构,所以骨架部分采用精度更高的六面体单元进行划分,泡沫外壳采用精度较低的四面体单元进行划分,这样既能保证计算精度的准确性,又节约计算时间.在软件中设置方向盘骨架,与泡沫壳体之间由共同的节点连接,有限元模型的材料属性见表1.表1 有限元模型的材料属性Table 1 Materials properties of finite element model材料弹性模量/MPa泊松比密度/(t·mm-3)铝合金 7.2E+040.332.7E-09泡沫壳体1000.354.0E-102.3 结果分析基于上述试验模态分析和有限元模态分析步骤,求出方向盘的模态信息.由于在结构振动中高阶模态能量占比太低,对整个结构振动影响不大.一般载荷的频率是比较低的,所以只需要考虑与前几阶低阶模态是否会共振,这里选取方向盘的前两阶振动模态进行研究.运用Lanczos法求解,通过ABAQUS/Standard 隐式求解器直接求解模态信息,得到前两阶固有振动频率见表2.表2 前两阶固有振动频率Table 2 The first two natural vibration frequencies 阶数分析方法固有频率一阶试验模态/Hz64.5有限元模态/Hz68.14偏差/%5.64二阶试验模态/Hz95.75有限元模态/Hz94.66偏差/%1.14汽车方向盘的振动激励源主要有两种:一种是来自于发动机本体的振动,以点火激励为主;另一种是来自于路面激励,主要由路面和轮胎类型决定.这两种振动源以前一种为主,点火激励振动频率计算公式为f=2nz/(60d)(5)式中:n为发动机转速;z为发动机气缸数;d为冲程数.本研究对象是一种典型的直列式四缸四冲程发动机,经济转速约为2 000 r/min,代入式(5)计算得到点火振动频率为66.67 Hz,与方向盘一阶振动频率接近,容易导致共振,引起驾驶疲劳.通过试验模态分析和有限元模态分析得到方向盘的振幅对比也验证了上述推论,如图4所示.图4 振型曲线图Fig.4 Vibration mode diagram3 设计方案优化方向盘的固有频率必须大于发动机点火激励振动频率才能避免共振,避开发动机运转期间的激振,即方向盘的模态频率应该大于某个标准值.根据计算及工程实践,厂方要求方向盘第一阶垂直振动频率大于70 Hz,与上述分析结论相悖.为提高第一阶垂直振动频率,需要对原方案进行优化.物体结构的固有频率公式为(6)式中:fD为有阻尼固有频率;f0为无阻尼固有频率;ζ为结构阻尼;k为结构刚度;m为结构质量.从式(6)可以看出,对于阻尼一定的系统,可以通过增强结构的垂直刚度k来改善第一阶垂直振动频率.通过力学分析,提出两种优化方案.第1种方案是在方向盘左右轮缘处增加铝合金材料布置;第2种方案是在与转向管柱接触的方向盘底部辐板处增加铝合金材料布置,具体方案如图5所示.图5 两种优化方案Fig.5 Two optimization schemes经过优化后的方向盘重新进行试验模态分析和有限元模态分析,获得优化后的固有振动频率见表3,模态曲线如图6所示.表3 优化后的固有振动频率Table 3 Optimized natural vibration frequencies阶数分析方法优化后的固有频率一阶试验模态/Hz74有限元模态/Hz76.72偏差/%3.68二阶试验模态/Hz112有限元模态/Hz110.62偏差/%1.23图6 优化后的振型曲线图Fig.6 Optimized vibration mode diagram4 结语通过对方向盘的建模和优化,使方向盘的设计满足模态标准要求,优化后的方向盘的第一阶垂直振动频率大于标准值70 Hz,满足模态要求,可以避开共振频率点.通过上述分析得出,使用ABAQUS软件能快速准确地求解结构的振型曲线,实现方向盘金属材料的合理分布.根据建模和仿真结果,可以改进设计,实现结构优化设计,对工程实践中的方向盘设计工作具有指导意义.参考文献:【相关文献】[1] 张波.基于有限元技术的汽车方向盘模态分析[J].重型汽车,2005(4):11-13.[2] 邓晓红.汽车方向盘怠速共振的模态优化及分析[J].科技创新与应用,2014(24):97.[3] 靳晓雄.汽车振动分析[M].上海:同济大学出版社,2002:75-115.[4] 魏海虎.基于试验模态的方向盘振动控制优化[J].厦门理工学院学报,2014,22(1):22-27.[5] WANG Z G,FENG Q,WANG Y.Dynamic modeling and response analysis to shock of elastic floating raft system[J].Journal of Ship Mechanics,2005,9(6):113-125.[6] 史冬岩.基于Abaqus的模态分析方法对比及验证[J].计算机辅助工程,2013,22(2):432-435.。

象擊擊擊擊擊场烫擊雕擊场»濟擊擊擊擊擊擊擊擊场»濟擊擊擊擊擊擊擊擊擊场擊擊擊擊赞某矿用车转向节有限元分析王卓周郭駿罗朋张冬(广州电力机车有限公司）【摘要】本文以某型号矿用车转向节为研究对象，在有限元的理论基础上，论述了转向节有 限元模型的单元选取及简化处理，然后在ANSYS 软件中对转向节进行静强度和疲劳分析。

结 果表明，该车型转向节在各种工况载荷作用下，满足其强度要求，为后续转向节设计提供一定理 论依据。

关键词：自卸车转向节有限元强度分析转向节是电动轮矿用车前桥上的重要部件，用 于传递并承受车辆前部载荷，支承并带动前轮绕主 销转动而使车辆转向。

在车辆行驶状态下，它承受 着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强 度[1]。

本文利用有限元分析软件ANSYS 对某矿用 车转向节进行了超常载荷工况和模拟运营载荷工 况的静强度及疲劳强度计算，校核转向节的结构强 度，验证了其结构的可行性。

1转向节有限元模型建立转向节材料为42CrM 〇,其中弹性模量E = 206000N /mm 2，泊松比卜=0. 3,屈服强度= 930N / mm 2。

基于 HYPERMESH 11. 0 和 ANSYS 12. 1 有 限元分析软件，建立了转向节有限元计算模型。

转 向节采用实体单元进行离散，离散后有限元模型单 元总数为471030,节点总数为728232。

转向节与单 圆锥滚子轴承配合处、横拉杆连接孔和转向液压缸 安转座孔处根据实际受力状况离散成对应的纵向、 横向及垂向弹簧单元，以便较好地模拟实际接触情况。

其中规定X 轴为转向节纵向，Y 轴为转向节横 向，Z 轴为转向节垂向，坐标系符合右手法则。

坐标 原点位于转向节端盖圆心处。

转向节有限元计算 模型见图1。

图1转向节有限元模型2载荷计算与工况设定本次转向节强度计算的载荷参照该车技术规范参数，分别对转向节进行超常载荷和运营载荷的 计算。

其中超常载荷用于评定转向节的静强度，模 拟运营载荷用于评定转向节的疲劳强度。

题目：11[1.0] 有限元分析（任采用板单元或实体单元）。

主管截面为300×10，长度2000mm，两端铰接。

支管截面180×8，长度为700mm，端部作用均匀轴拉力。

支管与主管连接处，截面采用四边角焊缝，有限元分析可视为与主管完全连接。

另两种构造采用一块加劲钢板连接，加劲板截面为290×10，初定高度为180mm。

分别采用图b、图c 两种方式连接。

加劲板与主管、支管相接处均采用双面角焊缝连接，可视为与相连管的板件完全连接。

（1）建立有限元模型并说明模型中的主管端部铰接连接如何实现。

（2）设支管端部轴拉力为900kN。

采用弹性分析，计算3 种连接构造下的管内应力，输出应力图。

对应力分析结果进行解释，并说明何以接受计算输出结果的正确性。

（3）在图c 构造方式下，调整加劲肋高度（例如减少100mm 和增加100mm），观察连接附近应力变化，并讨论加劲肋高度的影响和合理高度的设置。

（4）设钢材为理想弹塑性体，屈服点为345MPa，试对连接方式（c）作弹塑性计算（取加劲板高度180mm），合理选择并输出荷载-变形曲线，并解释如何判定该节点到达极限承载力。

图a 图b 图c解答：（1）建立有限元模型并说明模型中的主管端部铰接连接如何实现。

建立几何模型采用ABAQUS有限元分析软件进行建模分析，钢节点模型采用C3D8R单元建立，钢材的弹性模量取E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3。

建模过程中，对于主管与支管的连接、加劲板与主管支管的连接，均视为完全连接，即在ABAQUS 建模过程中将主管、支管及加劲板组合为一个统一的构件。

采用C3D8R单元，通过矩形尺寸直接建立几何模型并组装，a、b、c三种模型分别如图1~3所示。

图1 无加劲板连接模式图2加劲板纵向布置连接模式图3加劲板横向布置连接模式划分网格采用structured方式进行网格划分，划分精度为0.03，划分网格后的模型如图4~6所示。

基于ABAQUS的汽车转向管柱上段总成的分析与研究于富冬;张晔【摘要】转向管柱上段总成是汽车转向系统的重要组成部分,转向性能的好坏直接影响汽车行驶的安全和操纵性.采用ABAQUS分析软件,对汽车转向管柱上段及转向管柱上段总成进行了模态分析,根据行业标准TS 16949体系对转向管柱上段总成轴向位移进行标准分析、对方向锁进行锁止强度试验、对转向柱管进行了温度试验,验证了其结构设计的合理性.【期刊名称】《汽车零部件》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P33-36)【关键词】转向管柱上段总成;ABAQUS;TS16949体系【作者】于富冬;张晔【作者单位】合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009【正文语种】中文近年来，我国汽车行业发展迅速，各种各样的汽车已经渐渐进入人们的日常生活中，而汽车的安全性能问题也在不断受到消费者们的关注。

转向系统作为汽车的重要组成部分，在汽车结构功能方面发挥着巨大作用。

转向系统是指由驾驶人员操纵、能实现转向轮偏转和回位的一套机构。

而转向管柱上段总成作为汽车转向系统的重要组成部分，对于汽车转向性能好坏有着重要影响，直接影响着汽车行驶的安全性和操纵性。

转向管柱上段总成主要由转向上下轴分总成、转向管柱三角支架、支架座、转向管柱支架、悬架、左右支架、万向节叉等部件构成(见图1—2)。

转向上下轴分总成上端有连接花键，用来安装方向盘；下端是焊接的万向节叉，连结到转向器后，这样就可以达到传递扭矩的效果。

上、下柱管配合在一起，通过转向管柱支架安装在车架上。

ISO/TS16949是国际汽车行业的技术规范，是在ISO9001的基础上加进了汽车行业的技术规范。

其针对性和使用性非常明确：此规范只适用于汽车整车厂和其直接的零备件制造商。

TS16949特别注重厂家的完成品及实现这个完成品的质量系统能力。

它认为这是整个制造过程活动的基础。

圆盘类零件的有限元分析摘要：本文利用大型通用有限元软件Abaqus 对一空心圆盘进行了旋转模拟，模态分析和瞬时模态动态分析，提取了其固有频率及振型，讨论其在受动态载荷下的应力、位移随时间的变化情况。

为进一步研究圆盘类零件的力学性能及提高其稳定性奠定了基础。

关键词：有限元分析；Abaqus 软件；模态分析；动态分析Finite element analysis of disk partsAbstract: Rotation simulation, modal analysis and dynamic analysis on instantaneous modal of annular disk are analyzed based on Abaqus. Its inherent frequency and mode of vibration are determined, and the stress and displacement that varied with time are discussed.This research will lay the foundation for further research of the mechanical property of the disk part and increase its stability.Keyword: FEA; Abaqus software; modal analysis; dynamic analysis0 前言回转圆盘类结构在航空、航天及现代机械工业中有着广泛的应用。

例如圆锯片、锯片式铣刀、砂轮片等，这些零件在材料的切削中起着非常重要的作用。

随着原材料资源的匮乏，对圆盘零件刀具在切削加工中材料的损失提出了较高要求。

在计算机领域，随着现代化工业的不断发展，人们对计算机的依赖程度日益加深，不断地对计算机的运行速度、存储量、稳定性和噪声等方面提出更高的要求，而这些方面都与计算机的回转硬盘有关。

基于ABAQUS有限元分析的钢筋混凝土柱扭转性能研究瞿帅
【期刊名称】《砖瓦》
【年(卷),期】2024()2
【摘要】基于ABAQUS软件,构建钢筋混凝土柱(RC)受扭行为的数值模拟方法,深入探讨RC柱受扭行为的主要影响因素,为RC柱受扭行为的设计与优化奠定理论基础。

采用有限元方法对钢筋混凝土的受力性能进行分析,研究了不同配筋率下钢筋混凝土柱构件的抗扭性能。

试验结果显示,随着混凝土的强度提高,钢筋混凝土柱剪跨比降低,其初扭刚度和极限抗扭承载力也随之提高。

钢筋配筋率、扭转-弯曲比、纵向配筋率、纵向荷载率对构件扭转承载力的影响较大。

当轴力之比大于0.4时,其峰值转矩有降低的趋势。

剪跨比减小了RC柱的刚性劣化程度,增加了RC柱的抗弯承载力。

混凝土的延性指数在纵向配筋7.15%时达到最大。

据此提出了RC柱剪跨比为5,RC柱纵筋7.15%,RC柱横筋0.67%。

【总页数】4页(P74-76)
【作者】瞿帅
【作者单位】深圳千里马装饰集团有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU375.3
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