基于HyperWorks的平衡轴有限元分析

      平衡轴悬挂是重型卡车最重要的零部件之一，主要起平衡中、后桥所受载荷的作用。其结构由平衡轴、支架、轴壳等构成，因使用环境恶劣，用户严重超载，导致平衡轴支架出现断裂。以往开发的新平衡轴悬挂通常采用路试的方法验证结构强度，该方法成本高、周期长，而利用软件进行结构强度分析更加准确和快捷。为此，采用一种行之有效的新方法来设计平衡轴悬挂，并对其进行强度校核计算和优化是十分必要的。
      图是市场反馈的一种平衡轴悬挂支架开裂的情况，该平衡轴悬挂以前搭载于6×4公路载货车，核定的载重不超过40t，未出现平衡轴支架开裂现象。现在主机厂为了降低成本，将此款平衡轴悬挂搭载于8×4公路自卸车，在实际使用过程中，个别用户严重超载，载重甚至达到60t，导致支架开裂。
      为了满足客户使用要求，必须对平衡轴悬挂的结构进行分析和优化。
      图是用UGNX7.5建立的平衡轴悬挂3D模型，使用UG建模简单，易于修改。
      利用HyperWorks中Hypermesh12.0建立，支架、平衡轴采用二阶10节点四面体单元，推力杆、桥、板簧等简化成一维Bar单元，采用CBEAM模拟轮胎。图4是实体结构有限元模型，图5是平衡轴悬挂有限元模型。
      在Hypermesh12.0中，设置材料mat name:QT500-7，type:ISOTROPIC，card image:MAT1；mat name:42CrMo，type:ISOTROPIC，card image:MAT1.在Card Edit中输入表1中的弹性模量和泊松比。
      设置属性：type:3D，cardimage:PSOLID，并将属性赋予支架和轴。
      在Hypermesh12.0中导入平衡轴支架三维实体模型，如图3所示。设置好网格参数后，利用Automesh划分网格，如图5所示。
      平衡轴悬挂工作时主要受到整车自重及货物的重量。一般中后桥承载重量为整车总重的70%，即为平衡轴悬挂所受的重力。本款平衡轴悬挂所搭载的车型，额定总重量为40 t，平衡轴悬挂所受载荷28 t。考虑到客户超载情况，整车总重量加到60t，平衡轴悬挂所受载荷42t。分别计算在这两种载荷作用下，平衡轴悬挂的应力情况。加载如下：
      弯曲工况下，Z向-1g重力加速度；冲击工况下，Z向-2.5g重力加速度。
      根据支架断裂情况，重点考察图6重要区域的应力情况。
      将建立好的有限元模型，利用OptiStruct求解器进行求解，用HyperView查看结果。
      载重为40t时，对由于连接引起的孔周应力失真不予考虑。支架在各个工况下，各部分结构的应力如图所示。
      从40t分析结果来看，该款平衡轴悬挂的结构能够满足使用要求。但现实中，用户超载严重，最多超载到额定重量的50%，因此，进行60 t的分析是十分重要，也是具有参考价值的。
      载重为60 t时，对由于连接引起的孔周应力失真不予考虑。支架在各个工况下，各部分结构的应力如图所示。
      为了满足客户要求，必须对平衡轴悬挂中支架的结构进行优化，优化后的结构模型如图所示，将应力集中区域的圆弧由R5加大到R20，取消减重孔，增加2条加强筋。
      为了验证改进效果，重新进行平衡轴悬挂的有限元分析，在整车载重60 t，冲击系数2.5的工况下支架的应力图如图所示。