一种提升转向节臂承载能力仿真精度的方法与流程

1.本发明属于底盘转向节转向拉杆臂承载能力仿真技术领域，具体涉及一种提升转向节臂承载能力仿真精度的方法。


背景技术：

2.底盘转向节转向拉杆臂应满足一定的承载能力，传统的开发方法是：基于整车多体动力学载荷分解，得到路缘冲击工况转向拉杆处载荷f，在此载荷f基础上增加5kn，保证转向拉杆的屈曲载荷大于(f+5kn)，即整车发生路缘冲击工况时，保证转向拉杆不能发生屈曲，沿着转向拉杆方向在转向节拉杆臂球头处施加f+10kn载荷，评价转向节臂处的等效塑性应变，等效塑性应变如果小于转向节材料延伸率的50％，判定转向节臂承载能力大于f+10kn，即当转向节臂某处的等效塑性应变达到材料延伸率的50％时所对应的载荷就是转向节拉杆臂的承载能力。然而，基于结构局部等效塑性应变的承载力计算评价方法精度不足，原因在于：1、建模仿真时，球头销与转向节臂接触，由于算法本身的原因，接触区域的等效塑性应变存在奇异区，计算结果比实际偏大，当此区域的等效塑性应变达到材料延伸率的50％时，对应施加的拉杆载荷往往偏小，即承载力偏小；2、即使当结构的局部某点达到了材料塑性应变的50％，此点的周边结构仍然具有承载能力，即某点的屈服并不能代表整个结构的屈服。
3.综上所述，采用等效塑性应变法评价转向节转向拉杆臂承载能力时，结构承载能力计算偏小，从而导致结构冗余，不利于轻量化。


技术实现要素：

4.为了克服上述问题，本发明提供一种提升转向节臂承载能力仿真精度的方法，基于转向节及球头装配体有限元模型，采用载荷位移曲线法计算评价结构承载能力，此方法并非结构的局部行为，体现的是结构的整体行为，从而提升转向节转向拉杆臂承载能力的仿真精度。
5.一种提升转向节臂承载能力仿真精度的方法，包括如下内容：
6.步骤一，基于转向节1、球头销螺栓3、内套筒5和球头螺母4的三维模型，利用软件对各三维模型划分有限元网格，转向节用二阶四面体单元、球头销螺栓3采用二阶四面体单元、内套筒5和球头螺母4均采用一阶六面体单元，并赋予结构材料及截面属性；
7.步骤二，建立转向节1与内套筒5之间的过盈配合关系、建立球头销螺栓3与内套筒5之间的接触关系、建立球头螺母4与球头销螺栓3之间的绑定关系、建立球头螺母4与转向节1之间的接触关系；
8.步骤三，分三个加载过程进行仿真加载：如图2所示；
9.a.仿真加载第一个载荷步是内套筒5与转向节1之间的过盈配合，并记录载荷作用点此时的位移，求解载荷作用点三个方向的位移分量，分别记为x1
过盈配合
、x2
过盈配合
和x3
过盈配合
；
10.b.仿真加载第二个载荷步是在球头螺母4处施加的预紧力，并记录载荷作用点的
位移，求解载荷作用点三个方向的位移分量，分别记为x1
螺栓预紧
、x2
螺栓预紧
和x3
螺栓预紧
；
11.c.仿真加载第三个载荷步是在转向拉杆外点7所在的球头销螺栓3处沿着拉杆方向按照相同的载荷增量将所要加载的总载荷分为增量步逐级多次加载，直至施加至100000n载荷，并记录每次增加载荷时载荷作用点的位移，并求解出每次增加载荷时载荷作用点三个方向的位移分量x1
施加
、x2
施加
和x3
施加
；
12.步骤四，对步骤三的c中得到的载荷作用点三个方向的位移分量进行修正：
13.每次增加载荷时，载荷作用点在三个方向的修正后位移分量y1、y2和y3分别按照下式计算：
14.y1＝x1
施加-x1
螺栓预紧
15.y2＝x2
施加-x2
螺栓预紧
16.y3＝x3
施加-x3
螺栓预紧
；
17.步骤五，对载荷作用点在三个方向的修正后位移分量y1、y2和y3的平方和再开方得到载荷作用点修正后合位移y
合
；
18.以载荷作用点修正后合位移为横坐标，以施加的载荷大小为纵坐标绘制载荷位移曲线图；
19.步骤六，当载荷位移曲线图中曲线的斜率变化率第一次降至50％时，认为结构整体发生屈服，此时对应的施加载荷大小即为转向节转向拉杆臂承载能力。
20.所述步骤一在利用hypermesh有限元软件对各三维模型划分有限元网格。
21.所述步骤三通过abaqus软件求解出载荷作用点三个方向的位移分量。
22.所述步骤四和步骤五均利用excel软件进行数据记录和处理，并绘制载荷位移曲线图。
23.所述步骤六中载荷位移曲线图中曲线的斜率变化率为：曲线的斜率占初始斜率的百分比，具体计算方式为：后一级施加载荷时的曲线斜率除以初始曲线斜率。
24.所述步骤六中载荷位移曲线图中曲线的初始斜率为载荷增量除以步骤三的c中第一次施加载荷时载荷作用点的修正后合位移。
25.所述步骤六中载荷位移曲线图的斜率为载荷增量除以两个增量步之间的修正后位移之差。
26.将所述步骤三的c中逐级多次加载载荷的载荷方向设为转向拉杆外点7所在的球头销螺栓3处沿着拉杆方向指向外点，最后得到的结构整体发生屈服时对应的施加载荷大小为转向节转向拉杆臂在该方向的承载能力。
27.将所述步骤三的c中逐级多次加载载荷的载荷方向设为转向拉杆外点7所在的球头销螺栓3处沿着拉杆方向指向内点，最后得到的结构整体发生屈服时对应的施加载荷大小为转向节转向拉杆臂在该方向的承载能力。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果：
29.本发明采用载荷位移曲线计算评价方法提升转向节臂承载能力的仿真精度，优点在于首先考虑转向节、球头、内套筒的材料非线性、考虑内套筒与转向节之间的过盈接触、考虑球头销与内套筒之间的接触、考虑球头销的初始预紧力，在转向拉杆外球头处沿着拉杆方向施加载荷，计算得到加载点的载荷位移曲线，随着载荷的加大，结构逐渐发生屈服，承载力曲线的斜率逐渐变小，当斜率到达某一数值时，判定整个结构发生屈服，即失去承载
能力，此方法评价的是结构的整体行为，并非局部行为，更能体现结构真实的承载能力，提升仿真精度。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明的转向节总成三维模型示意图。
32.图2为转向节拉杆臂承载能力仿真数据。
33.图3为转向节拉杆臂承载能力曲线。
34.其中：1转向节；2车轮中心；3球头销螺栓；4球头螺母；5内套筒；6上控制臂外点；7转向拉杆外点；8前下控制臂外点；9后下控制臂外点。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
36.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
38.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
39.实施例1
40.一种提升转向节臂承载能力仿真精度的方法，包括如下内容：
41.步骤一，如图1所示，基于设计部门提供的转向节1、球头销螺栓3、内套筒5和球头螺母4的三维模型，利用软件对各三维模型划分有限元网格，转向节用二阶四面体单元、球头销螺栓3采用二阶四面体单元、内套筒5和球头螺母4均采用一阶六面体单元，并赋予结构材料及截面属性；
42.转向节1上设有三个球头销螺栓3，每个球头销螺栓3均通过内套筒5固定在转向节1内，三个球头销螺栓3的头部分别作为转向拉杆外点7、前下控制臂外点8和后下控制臂外点9；
43.步骤二，建立转向节1与内套筒5之间的过盈配合关系、建立球头销螺栓3与内套筒5之间的接触关系、建立球头螺母4与球头销螺栓3之间的绑定关系、建立球头螺母4与转向节1之间的接触关系；
44.步骤三，分三个加载过程进行仿真加载：如图2所示；
45.a.仿真加载第一个载荷步是内套筒5与转向节1之间的过盈配合，并以excel表的形式记录载荷作用点此时的位移，提交abaqus软件求解计算此时载荷作用点三个方向的位移分量，分别记为x1
过盈配合
、x2
过盈配合
和x3
过盈配合
；
46.b.仿真加载第二个载荷步是在球头螺母4处施加的预紧力，并以excel表的形式记录载荷作用点此时的位移，提交abaqus软件求解计算此时载荷作用点三个方向的位移分量，分别记为x1
螺栓预紧
、x2
螺栓预紧
和x3
螺栓预紧
；本步骤b中的位移分量是在步骤a的基础上得到的；
47.c.仿真加载第三个载荷步是在转向拉杆外点7所在的球头销螺栓3处沿着拉杆方向按照相同的载荷增量将所要加载的总载荷分为增量步逐级多次加载，直至施加至100000n载荷，并以excel表的形式记录每次增加载荷时载荷作用点的位移，并求解出每次增加载荷时载荷作用点三个方向的位移分量x1
施加
、x2
施加
和x3
施加
；
48.步骤四，对步骤三的c中得到的载荷作用点三个方向的位移分量进行修正：
49.每次增加载荷时，载荷作用点在三个方向的修正后位移分量y1、y2和y3分别按照下式计算：
50.y1＝x1
施加-x1
螺栓预紧
51.y2＝x2
施加-x2
螺栓预紧
52.y3＝x3
施加-x3
螺栓预紧
；
53.步骤五，对载荷作用点在三个方向的修正后位移分量y1、y2和y3的平方和再开方得到载荷作用点修正后合位移y
合
；
54.以载荷作用点修正后合位移为横坐标，以施加的载荷大小为纵坐标绘制载荷位移曲线图；
55.步骤六，当载荷位移曲线图中曲线的斜率变化率第一次降至50％时，认为结构整体发生屈服，此时对应的施加载荷大小即为转向节转向拉杆臂承载能力。
56.所述步骤一在利用hypermesh有限元软件对各三维模型划分有限元网格。
57.所述步骤三通过abaqus软件求解出载荷作用点三个方向的位移分量。
58.所述步骤四和步骤五均利用excel软件进行数据记录和处理，并绘制载荷位移曲线图。
59.所述步骤六中载荷位移曲线图中曲线的斜率变化率为：曲线的斜率占初始斜率的百分比，具体计算方式为：后一级施加载荷时的曲线斜率除以初始曲线斜率。1/(0.18079-0.089847)＝10.9959。
60.所述步骤六中载荷位移曲线图中曲线的初始斜率为载荷增量1kn除以步骤三的c中第一次施加载荷时载荷作用点的修正后合位移。11.12999就是初始斜率，其中11.12999＝1/0.089847(修正后合位移)。
0.0093)]mm、(0.1042-0.0175)mm、(0.1740-0.1688)mm，修正后的位移分量见图3中的y1、y2、y3列，修正后的合位移(即三个方向位移分量的平方和再开方)如图2所示。
75.第五步，利用施加载荷列和修正合位移列，绘制加载点即拉杆外点的载荷位移曲线，如图3所示，从载荷位移曲线中可以看出，随着载荷的增加，加载点位移增量越来越大，代表转向节臂整体结构逐渐失去承载能力，整体结构发生屈服，而非局部点；
76.第六步：图2中，通过载荷增量1kn除以两个增量步之间的位移差，得到载荷位移曲线的斜率数据，如第一个载荷增量步的斜率为11.12999，再将此斜率归1化，用后面的曲线斜率除以11.12999，得到相对初始状态的斜率变化，当斜率变化为50％时，认为结构整体失去承载能力，此时对应的拉杆外点载荷为50kn，如图3所示。
77.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明的保护范围并不局限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
78.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
79.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。