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經(jīng)典案例
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  • 汽車(chē)轉向機構有限元分析與優(yōu)化
  • 風(fēng)力發(fā)電機主軸結構強度分析
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汽車(chē)轉向機構有限元分析與優(yōu)化

時(shí)間:2017-12-16 15:58 所屬行業(yè):汽車(chē)、車(chē)輛、有限元分析

有限元分析
    安全、環(huán)保、節能是未來(lái)汽車(chē)的三大主題,作為汽車(chē)轉向系統重要部件一轉向管柱更是如此,從傳統的純機械結構、電動(dòng)調節結構到管柱助力的電動(dòng)轉向系統(即C-EPS)。
    近年來(lái),汽車(chē)轉向管柱的發(fā)展超乎尋常,其安全性顯得尤其重要,不僅要求進(jìn)行總成的靜態(tài)壓縮特性考核,還必須滿(mǎn)足國家強制性標準GB11557和美國聯(lián)邦機動(dòng)車(chē)安全標準FMVSS203的要求。企業(yè)如果要想在激烈的市場(chǎng)竟爭中脫穎而出,必須采用先進(jìn)的設計手段。
1、有限元分析
    根據汽車(chē)轉向管柱的結構特點(diǎn),為滿(mǎn)足轉向操作機構的設計需求,有限元分析技術(shù)主要應用在轉向柱的靜態(tài)強度、靜態(tài)剛度分析、模態(tài)分析、疲勞分析、碰撞吸能分析幾個(gè)方面。
1.1、結構強度/剛度分析
    作為機械產(chǎn)品,其產(chǎn)品設計在一定的工作條件,如額定載荷、過(guò)載及熱載等情況下,其結構剛強度如何,能否滿(mǎn)足在工作載荷下不發(fā)生失效破壞,不發(fā)生過(guò)大變形影響工作性能等。因此,對產(chǎn)品結構做剛強度校核,是每個(gè)設計師首要考慮的問(wèn)題。在滿(mǎn)足剛強度要求的前提下,對產(chǎn)品進(jìn)行一些優(yōu)化分析,還可以帶來(lái)諸如節省材料等經(jīng)濟性方面的益處,但傳統的設計校核難度較大。轉向管柱結構強度涉及有限元分析領(lǐng)域包括:結構靜強度分析,熱傳導與結構熱應力分析,結構穩定性,靜剛強度優(yōu)化分析。
1.2、模態(tài)分析
    模態(tài)分析是計算結構振動(dòng)特性的數值技術(shù),結構振動(dòng)特性包括固有頻率和振型。模態(tài)分析是最基本的動(dòng)力學(xué)分析,也是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎,如響應譜分析、隨機振動(dòng)、DDAM振動(dòng)分析、模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析都需要在模態(tài)分析基礎上進(jìn)行。
    轉向管柱模態(tài)分析結果的準確與否,關(guān)鍵在十模型的簡(jiǎn)化,特別是對上下支撐軸承的簡(jiǎn)化。一般轎車(chē)轉向柱上軸承采用單列向心球軸承等剛性軸承,而下部則采用柔性軸承,如帶橡膠或彈性材料的滾針和球軸承。實(shí)際的分析結果表明,除轉向柱本身的結構因素外,在一定的條件下,支撐軸承的剛度、方向盤(pán)質(zhì)量及質(zhì)心位置對模態(tài)的影響最大。若軸承剛度越大(或方向盤(pán)質(zhì)量越低,或質(zhì)心位置越低),則轉向柱固有頻率越高。
1.3、疲勞壽命分析
    機械產(chǎn)品各部件的材料、零件和構件在循環(huán)應力或循環(huán)應變的作用下,在某點(diǎn)或某些點(diǎn)逐漸產(chǎn)生局部的永久的結構變化,并在一定循環(huán)次數后形成裂紋或繼續擴展直到斷裂,產(chǎn)生疲勞破壞。由于疲勞斷裂發(fā)生往往會(huì )導致災難性人身事故,所以疲勞成為力學(xué)、材料和工程界所共同重視的學(xué)科。
    轉向管柱的疲勞分析主要應用在轉向傳動(dòng)軸,其目的是預測在一定的扭矩和頻率的交變負荷下,能夠經(jīng)受住疲勞的次數,根據交變負荷的周期則可以根據次數確定以時(shí)間描述的疲勞壽命。
1.4、轉向機構吸能結構碰撞分析
    最新的國家強制性標準GB11557-2011規定了二次碰撞人體模塊胸碰和頭碰的性能要求,因此轉向管柱一般設計有吸能結構。傳統設計是靠經(jīng)驗初步確定各個(gè)吸能處的靜態(tài)潰縮力,待做出物理樣機后進(jìn)行試驗并校核。
    汽車(chē)碰撞時(shí)駕駛員的二次沖撞是在幾十毫秒到幾百毫秒內完成的。在碰撞過(guò)程中,駕駛員和轉向機構各零部件在慣性載荷作用下發(fā)生大位移、大轉動(dòng)、大變形的接觸碰撞。因而,研究轉向管柱碰撞能量的吸收特性應建立在瞬態(tài)、非線(xiàn)性(材料非線(xiàn)性、幾何非線(xiàn)性、接觸非線(xiàn)性)的基礎之上。主要分析內容包括:吸能結構碰撞仿真的建模與計算控制;人體模塊有限元模型變形剛度的仿真測定;吸能結構碰撞仿真的非線(xiàn)性有限元分析;通過(guò)實(shí)際碰撞試驗校驗動(dòng)態(tài)仿真分析結果的正確性。
    借助有限元分析和運動(dòng)仿真,可以針對不同設計變量進(jìn)行設計研究及優(yōu)化設計,最終得出最佳的設計方案,可以在產(chǎn)品投入試制前預先發(fā)現潛在的問(wèn)題,確保設計安全可靠,縮短開(kāi)發(fā)周期,減少設計成本,隨著(zhù)計算機軟件技術(shù)的發(fā)展,虛擬設計在汽車(chē)轉向系統設計中的應用將更加廣泛。

                                                                                  專(zhuān)業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
                                                                                                                                                        杭州那泰科技有限公司
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