基于HyperWorks的扭力梁强度分析

摘 要：某工装车在可靠性道路试验中，发现扭力梁多处开裂。本文应用HyperWorks进行扭力梁强度分析，找出了扭力梁开裂的根本原因。通过对扭力梁结构进行优化设计，达到了扭力梁的强度疲劳设计目标。 

关键词：HyperWorks 扭力梁 强度 优化 

1 引言 

      某工装车在可靠性道路试验中，发现扭力梁下加强板多处开裂，如图1所示。扭力梁作为后悬架重要的支撑和性能部件，如果不及时整改，将会严重影响整车的可靠性、操纵稳定性、平顺性等性能的充分发挥，甚至会产生严重的安全隐患问题。所以，必须找出引起扭力梁开裂的根本原因，从源头上解决该问题以提高产品质量，满足汽车研发中扭力梁可靠性使用要求。 

      本文通过HyperWorks软件，建立扭力梁有限元模型进行强度分析，分析结果发现扭力梁开裂处出现极大的应力集中，容易导致疲劳开裂，这与试验结果十分吻合。通过对扭力梁进行结构优化和强度分析，达到了扭力梁的强度疲劳设计目标。 

2 扭力梁强度分析 

2.1有限元模型 

      根据扭力梁的结构特点，对整个扭力梁和焊缝均采用壳单元在HyperMesh中进行网格划分，实心扭力杆和橡胶衬套采用六面体单元模拟，有限元模型如图1所示。

              

2.2 材料属性 

      为了提高计算结果的精度，计算中考虑了材料非线性和几何非线性，所以扭力梁使用的各种材料（如B510L、Q235、DC04等等）不仅给出了它的弹性模量和泊松比，还给出了材料发生塑性变形后的应变和应力的关系曲线。 

2.3 强度分析工况和设置 

      悬架系统承受路面冲击载荷的大小与车辆行驶速度、路面状况和载重量等因素有关。采用惯性释放方法，本文主要分析扭力梁在扭转极限工况下的强度，扭转极限工况下扭力梁各个接附点的载荷已通过多体动力学软件计算得到，如表1所示。

          

2.4 分析结果 

      有限元模型经调试无误后提交计算，使用后处理软件HyperView查看扭力梁整个结构的变形和应力分布，以及各零部件的应力大小等。扭力梁的整体应力分布如图2所示，下加强板应力分布如图3（左）所示。

               

         

      从图3（左）可以看出，下加强板开裂处出现了明显的应力集中，最大应力204.7MPa接近材料Q235的屈服强度235MPa，此处易产生疲劳开裂，这与路试出现的开裂结果十分吻合。 

3 扭力梁结构优化设计 

      通过观察扭力梁的扭转变形发现，开裂处附近结构刚度较强，而横梁中间相对较弱，所以刚度过渡落差较大引起了局部的应力集中。鉴于此，优化时主要考虑下加强板的结构以便扭力梁刚度从两端到中间过渡平缓。下加强板结构优化方案中，一是将长度缩短45mm，二是将开口从圆角上右移到平面上，如图4所示。

        

      优化结构后的应力计算结果如图3（右）所示。从图中可以看出，优化后下加强板在原开裂处的最大应力由204.7MPa降低到108.8MPa，远远低于材料Q235的屈服强度，降幅接近47%，优化效果十分有效。 

4 结论 

      本文应用HyperWorks进行了扭力梁强度分析，找出了扭力梁下加强板多处开裂的根本原因。通过结构优化后达到了既能降低应力幅值又能减小尺寸、减轻重量而不增加成本的效果；同时，扭力梁的应力分布更为合理。因此，该优化方案是可行的。 

      综上所述，CAE分析的目标是在产品研发前期尽可能地发现结构设计中的开裂风险点从而加以避免；在产品研发后期尽可能的再现开裂工程问题的真实物理过程，从而得到与实际相符的分析结果。这样CAE分析就可以对工程问题的具体技术细节进行指导和帮助，不仅可以提高产品质量，而且可以缩短研发周期，降低研发成本。（转）