F1赛车悬架螺旋弹簧基于ANSYS Workbench的静力学分析

F1 赛车悬架螺旋弹簧基于 ANSYS Workbench 的静力学分析

孙芳涛 张胜刚 王红灯

湖北省十堰市张湾区湖北汽车工业学院 湖北省十堰市 442000

一、摘要：有限元法作为计算机辅助工程的主要手段之一，在汽车产品数字化开发过程中取得了广泛应用。在对整车结构进行力学性能分析过程中，悬架系统的建模和模拟十分关键。汽车悬架式变化较多，包含转动、滑动等多种运动关系。

二、研究对象

针对上面我们建模的麦弗逊悬架和双横臂悬架，我们来进workbench静力学分析。

麦弗逊式独立悬架是车轮沿摆动的主销轴线移动的悬架，筒式减振器的上端用螺栓和橡胶垫圈与车身连接，减振器缸筒下端固定在转向节上，转向节通过球铰链与横摆臂连接。车轮所受的侧向力通过转向节大部分由横摆臂承受，其余部分由减振器承受。螺旋弹簧套在筒式减振器的外面，主销的轴线为上下铰链中心的连线。当车轮相对车身上下跳动时，因减振器的下支点随横摆臂摆动而作圆弧运动，故主销轴线的内倾角是变化的。

双横臂式独立悬架按上下横臂是否等长，又分为等长双横臂式和不等长双横臂式两种悬架。等长双横臂式悬架在车轮上下跳动时，能保持主销倾角不变，但轮距变化大(与单横臂式相类似)，造成轮胎磨损严重，现已很少用。对于不等长双横臂式悬架，只要适当选择、优化上下横臂的长度，并通过合理的布置，就可以使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内，保证汽车具有良好的行驶稳定性。

3. 零件有限元建模

对于以上两个模型，由我们小组的董韬负责建立完成，我将他构建的CATIA模型进行格式的转换，导入workbench中进行分析。

3. 有限元划分网格及加载和后处理

4.1 两种模型弹簧的静力学分析

4.1.1 麦弗逊式独立悬架弹簧的静力学分析

4.1.1.1网格划分

网格划分是有限元前处理中的主要工作，也是整个有限元分析的关键工作。网格划分的质量对计算结果产生相当大的影响。下面说明网格划分的一般过程。首先，选择网格划分的方法。ANSYS 软件提供了三种基本的网格划分方法:映射网格划分，自由网格划分，以及混合网格划分方法。映射网格划分对单元形状有限制，并要符合- -定的网格模式。映射面网格只包含四边形或者三角形单元，映射体网格只包含六面体网格。在单元数目相同的情况下，对于同一块面积的有限元分析，四边形的精度要比三角形高一些。如果希望用映射网格划分模型，则创建模型的几何结构必须由一系列规则的体或者面组成，这样才能应用于映射网格划分。一般来说，映射网格能得到比自由网格更为精确的结果。自由网格划分对实体模型的形状无特殊要求，也没有特别的应用模式。网格划分时系统可根据模型的形状自动选择不同的单元类型、密度进行组合搭配。对面进行网格划分，自由网格可以全部为三角形单元，也可以全部是四边形单元，或两者的混合;对体进行网格划分，自由网格一般是四面体单元，棱锥单元作为过渡单元也可以加入四面体单元。采用自由网格划分，所得的单元数目较多，执行分析工作的时间较长，而且，有时会出现形状异常单元，如单元内角过大、过小及单元形状过于细长等，此时，系统将给出警告提示。奇异单元的出现将影响分析的精确性，是必须预先注意的问题。混合网格划分，则将能够映射网格化的面积进行映射网格划分，再将无法映射网格化的面积进行自由网格划分。这样可以提高计算精度和减少计算时间，但不建议在同一模型中使用两种形状的单元格式。

在这里我们选择用sizing进行网格划分，将网格尺寸设置为3mm，其他选项全调为最高。

网格划分结果：

4.1.1.2载荷施加和边界条件处理

ANSYS中的载荷分为六类:自由度约束、力(集中载荷)、表面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。可以将载荷施加在实体模型(如关键点、线、面和体)上或者有限元模型(节点和单元)上。

对于实体模型载荷，主要有两个优点:独立于有限元网格，即可以改变单元网格而不影响施加的载荷,这就使得更改网格并进行网格敏感性研究时，不必每次重新施加载荷;加载操作更加容易，尤其是通过图形拾取时。但在在简化分析中，实体模型不够方便，并且，施加关键点约束也很棘手，尤其是当约束扩展选项被使用时。

有限元模型载荷，在简化分析中不会产生问题，因为可将载荷直接施加在主节点;也不必担心约束扩展，可简单地选择全部所需节点，并指定适当的约束。有限元模型载荷的主要缺点是，任何有限元网格的修改都使载荷无效，需要删除先前的载荷力并在新网格上重新施加载荷。

需要注意的是，无论怎样指定载荷，求解器期望所有载荷都应依据有限元模型。因此，如果将载荷施加于实体模型，在开始求解时，程序自动将这些载荷转换到节点和单元上。

边界处理，主要是处理分析对象与外界的关系，例如与外界的连接、接触问题，以及位移约束问题。

在前面的载荷求解过程中我们可以了解到，麦弗逊悬架弹簧的加载在弹簧上圈，另外一边的弹簧施加了固定约束，在这里我们将上圈弹簧的受力简化为三个节点集中力，大小为载荷分配之后的大小，在这里我们查资料得到集中力大小。

在这里我们对前悬架做出分析，得到单个前悬架的受力大小为（268X9.8X47）/（100X2）=617N

所以我们单个集中力大小为617/3=205N

Workbench载荷施加方案如下：

4.1.1.3求解

位移求解结果：

应力求解结果：

4.1.2 双横臂独立悬架弹簧的静力学分析

4.1.2.1网格划分

同样的方法，我们还是采用划分3mm网格的办法，用sizing对弹簧进行网格划分，弹簧网格划分参数如下：

网格划分结果如图：

4.1.2.2载荷施加和边界条件处理

这在里由于双横臂悬架弹簧的受力面不同，我们将进行不同的分析，双横臂悬架弹簧还是以一端受力，另一端采取固定约束。但是这次的受力不是以集中力为主，而是以整个面受力为主。所以力的大小为617，在这里我们注意右下角，因为我们的分析为稳态分析，而不是过程动态分析，所以将力的大小设置为两个617N。

具体的载荷施加方案如下：

先进行力的加载，对一个面施加617N的力

对另外一端采取全自由度的固定约束，所以整体的载荷加载方案如下：

4.1.2.3求解

位移求解结果：

应力求解结果：

五.结论

通过对弹簧Equivalent（von-Mises）Stress图分析，我们可以看到两款弹簧的应力大小分布情况和受力情况都相差不大，对于弹簧的疲劳强度要求和应力应变要求都差不多，所以我们更多的是考虑弹簧的变形

通过对弹簧Total Deformation图的分析，我们可以看到麦弗逊式独立悬架的螺旋弹簧最大变形为58.79mm，而双横臂式独立悬架的螺旋弹簧最大变形为22.01mm，由此可见麦弗逊式独立悬架比双横臂式要软，较硬的悬挂使车在急速过弯如做蛇形绕桩时的侧倾较小，所以在超车、走山路时可以使提升车的灵活度。所以对于FSAE赛车来说，我们更加需要的是操纵性，而舍弃部分的舒适性，由此从弹簧角度来讲应当选择更硬的双横臂式独立悬架。

六.参考文献

1. 王卡. 麦弗逊式悬架结构的有限元分析[D].西南交通大学,2008.

2. 杨阳,周谊,桂良进,范子杰.双扭杆双横臂悬架有限元建模与分析[J].汽车工程,2006(11):1008-1010+1019.