史富增 杨增杰 赵德华

摘要：以某型特种车辆摇臂为研究对象，根据摇臂相邻部件系统配合关系确定分析边界，利用Pro/E建立摇臂三维模型，导入HyperWorks软件中添加约束和载荷，利用有限元分析得到摇臂应力、应变结果。分析发现摇臂与轮系配合部位有应力集中现象，如果直接生产制造会有安全风险。依据分析结果对摇臂进行结构优化，对改进后的模型再次进行分析，平衡肘最大应力从752MPa降至516MPa，与轮系配合部位应力降至432MPa，满足设计需求。利用软件分析工具指导产品设计，提前发现并解决应力集中问题，降低新产品研发风险。

Abstract： Taking a certain type of special vehicle rocker arm as the research object， the analysis boundary is determined according to the coordinated relationship between the adjacent components of the rocker arm， the 3D model of the rocker arm is established by Pro/E， and the constraints and loads are added to the HyperWorks software， and obtained by finite element analysis Rocker arm stress and strain results. Analysis found that there is a stress concentration phenomenon in the matching part of the rocker arm and the gear train， and there is a safety risk if it is directly manufactured. Based on the analysis results， the rocker arm was optimized in structure， and the improved model was analyzed again. The maximum stress of the balance elbow was reduced from 752Mpa to 516Mpa， and the stress at the part of the gear train was reduced to 432Mpa， meeting the design requirements. Use software analysis tools to guide product design， find and solve stress concentration problems in advance， and reduce the risk of new product development.

关键词：特种车辆;摇臂;应力;应变

Key words： special vehicle;rocker arm;stress;strain

中图分类号：U463.32                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）05-0051-03

0  引言

爬坡、越野、越障等能力是越野车辆的重要指标，恶劣多变的路况对整车设计提出更高的要求，悬挂的减振性能影响车辆的舒适性，关键结构件的稳定可靠影响车辆的安全性。本文结合某新型特种越野车辆研发项目，在设计过程中用Pro/E软件对摇臂结构进行三维建模，用HyperWorks软件开展有限元分析，利用分析结果提前发现摇臂结构薄弱区域并进行改进，降低新产品开发风险。

1  有限元模型建立

1.1 结构设计和三维建模

摇臂是行走轮系与车架连接的关键部件，其一端与车架铰接，另一端与行走轮系连接，实现行走轮系、车架、摇臂三者之间可以相对转动，避免轮系与车架直接连接，降低地面激励对车架、乘员等的影响，提高整车对不同路况地面的适应能力。摇臂与其他部件的相对位置如图1所示。

摇臂主要由轮系安装轴、悬挂安装孔、车架连接孔、制动安装座等组成。摇臂主体采用高强度结构钢焊接而成，有铰接配合的孔或轴采用与其尺寸相近规格的管材，经粗加工、焊接及精加工制造而成。采用Pro/E软件建立摇臂三维模型，如图2所示。

1.2 分析前处理

完成的摇臂三维模型导入分析软件前删掉不影响结果的倒角、坡口、螺栓安装孔等特征，提高网格划分和分析的效率，处理完成后模型导入到HyperWorks软件中，按相邻部件的配合关系和结构特点划分网格，网格大小控制在2mm到5mm。

摇臂板材材料為Q800E高强钢，屈服强度为800MPa，管材采用40Cr，屈服强度为785MPa。杨氏模量为206GPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。

2  载荷边界条件建立

载荷以安装在摇臂上零部件的重量及车辆使用过程中的附加载荷为准。整车有4个轮系，车架及上部总重约为3000kg，产品研发时假设整车重心与几何中心重合，上装载荷平均分布进行计算，单个轮系车架载荷为750kg。根据悬挂安装孔与车架连接孔的距离确定悬挂载荷与整车上装和行走轮系重量载荷的关系，经测算悬挂负载约为500kg。根据制动器能产生的最大制动力测算制动安装座的负载约为1000N。轮系安装轴承载行驶轮系的重量，对轮系安装轴的载荷测算为600kg。

摇臂直接与行驶轮系铰接，中间没有减振系统，车辆行驶时轮胎受到的路面冲击载荷会传递到摇臂上，尤其是车辆不停车跨越障碍或壕沟时冲击载荷非常大，参考其他相似车辆的使用环境和试验数据，设定摇臂冲击载荷为6.5倍的重力加速度。载荷施加情况如表1所示。

3  计算结果分析

3.1 应力分析

利用软件对摇臂模型进行静力学分析计算，得到的摇臂应力云图如图3所示。

由应力云图可以看出，摇臂结构大部分区域应力为100MPa以下，与材料屈服强度785MPa相比，有较大的安全余量。摇臂应力云图中最大应力752MPa，虽小于材料屈服应力785MPa，但安全系数只有1.04，位置在轮系安装轴与摇臂总体连接的轴肩附近，有应力集中现象，该区域为焊接热影响区，现阶段高强钢的焊接工艺已非常成熟，焊缝强度能达到甚至超过母材的强度，但焊缝附近区域材料受焊接热量影响晶体组织会发生改变，性能会有一定程度的退化现象，影响承载能力。如果直接生产制造会有轮系安装轴断裂的安全风险。

3.2 应变分析

摇臂应变云图如图4所示，最大变形量约为10mm，在许用变形范围之内，位置在制动安装座末端，与摇臂和车架铰接安装并可以摆动的实际情况基本吻合，从侧面证明分析结果可以采信。

3.3 改进后应力分析

针对摇臂与轮系配合部位有应力集中现象，调整轴肩结构尺寸和零件制造方式，从整车指标、性能、价格等方面综合考虑，对摇臂结构进行改进。原结构采用两种规格管材粗加工后焊接再精加工的方式制造，轴肩附近为焊接热影响区，其承载能力受焊接影响会有一定下降，如果直接增加板厚会增加较多重量才能满足承载需求，最终确定更换管材规格，采用一种管材进行粗加工，虽然增加了加工量，但彻底解决轴肩附近焊缝的影响，同时调整轴肩结构及相邻部位的尺寸，进一步优化安全系数较高区域的结构尺寸。优化完成后摇臂重量基本不变。

修改后的模型再次导入到HyperWorks软件中进行分析，结果如图5所示。摇臂最大应力降至516MPa，在椭圆减重孔的位置，安全系数为1.52，摇臂大部分区域应力在300MPa左右，有两倍以上的安全系数，与轮系配合部位应力降至432MPa，应力集中问题得到妥善解决，整体应力分布情况有了较大改善，满足新产品开发设计要求，后期可根据样机试验和使用情况对摇臂结构进一步优化改进。

4  结语

本文以某型特种车辆摇臂为研究对象，根据车辆使用工况确定分析边界条件，利用Pro/E建立摇臂三维模型，导入HyperWorks中进行有限元分析得到摇臂应力、应变结果。分析发现摇臂结构大部分区域应力为100MPa以下，与材料屈服强度785MPa相比有较大富余，最大应力在轮系安装轴与摇臂總体连接的轴肩附近，最大应力752MPa，安全系数较低，而且位于焊接热影响区。依据应力云图对摇臂进行结构改进，调整应力集中区域的结构和尺寸，优化安全系数较高区域的结构尺寸。对改进后模型再次进行分析，最大应力从752MPa降至516MPa，安全系数为1.52，轮系安装轴轴肩部位应力降至432MPa，摇臂大部分区域应力提高至300MPa左右，满足设计需求。

本文利用软件分析工具指导新产品设计，提前发现并解决结构设计过程中的局部应力集中、焊接热影响区安全系数较低以及大部分区域承载能力有较大富余量的典型问题，降低新产品研发风险，为其他关键零部件的结构设计及分析验证提供参考。

参考文献：

[1]吕东升.基于HyperWorks的某客车车架有限元分析[J].机械设计与制造，2011.

[2]朱昌发，杨森.特种越野车车架强度及模态分析与结构优化[J].车辆与动力技术，2011.

[3]王钰栋.HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例[M].机械工业出版社，2012.