第2讲 汽车球销安全分析

主讲人：谢卫亮

2.1 概述说明

汽车球销是保证汽车操纵的稳定性，行驶的平顺性、舒适性和安全性，以及关键零部件，同时也是汽车转向系统中传递载荷的重要零件，用于与转向节或转向臂配合。在设计汽车球销时必须考虑其额定载荷情况下的安全性，同时由于汽车球销在使用过程中要求其在圆周方向有一定的摆角，这样会降低汽车球销强度，因此对此类汽车球销进行静力分析是必不可少的。

2.2 问题描述

本讲以图2-1所示的汽车球销设计图为例，采用静力求解来分析其设计安全性，并详细讲解其求解过程。

图2-1为汽车球销的设计图纸，材料为40Cr，密度为7.85×10-6kg/mm3，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3，热处理状态为调质处理，硬度为26～32HRC，根据机械性能拉伸试验可得，该调质状态下的屈服强度为918MPa，工作载荷为4t。

2.3 创建模型

2.3.1 网格划分

1. 创建、保存模型

打开SolidWorks，打开资源中的球销文件qiuxiao.x_t；然后再打开Abaqus，创建NewModel Database:With Standard/Explicit Model，应用命令File→Save as保存模型为qiuxiao.cae，接着在Module选项卡中选择Assembly模块。最后在菜单栏中依次单击→→，弹出图2-2所示的对话框。然后单击Enable按钮，这样就与SolidWorks正确连接上。单击SolidWorks菜单栏中的，如图2-3所示。这样就将图2-4所示的球销模型导入Abaqus中。

2. 重命名模型

如图2-5所示，在树目录的Model-1单击鼠标右键，选择重命名（Rename），命令为qiuxiao。

2.3.2 网格划分

切换到Mesh模块，对Part: qiuxiao划分网格。从默认颜色可知，该球销模型为棕色，即不能直接划分网格，需切分体。网格划分的具体步骤如下。

1. 创建一条基准轴

长按工具箱中的，然后选择工具箱中的，利用圆柱面创建基准轴，然后根据窗口左下角的提示，生成图2-6所示的基准轴。

2. 创建3个基准面

长按工具箱中的，然后选择工具箱中的，利用线和点创建基准面，然后根据窗口左下角的提示，生成一个基准面。按此法创建另一个相互垂直的基准面。由于球销装配时的配合面为锥面体的一部分，如图2-1所示的中锥度配合面26以内的部分，所以从锥度小端向锥度大端偏移位移26mm，长按工具箱中的，然后选择工具箱中的，再根据窗口左下角的提示，选择锥度小端面，按鼠标中键保持默认并确认，然后选择窗口左下角提示区的Flip（翻转）按钮，按鼠标中键确认，在弹出的对话框中输入26mm，再按鼠标中键确认，如图2-7所示。

3. 切分体

长按工具箱中的，然后选择工具箱中的，使用基准面拆分体，然后根据窗口左下角的提示，选择一个基准面，按鼠标中键确认自动拆分体，然后再选择拆分的两个体（按住Shift键可选择两个体），按鼠标中键确认，再选择另一个基准面按鼠标中键确认，这样就将球销划分为4个体，最后拆分出锥度配合面，用同样的方法选择4个体之后，再选择另一个基准面按鼠标中键确认，这样就将球销划分为8个体，如图2-8所示。

4. 设置网格参数

首先单击工具箱中的，设置球销全局种子尺寸（Approximate global size）为2，如图2-9所示。然后单击工具箱中的，进行网格属性设置，弹出图2-10所示的对话框，单元形状选择六面体为主（Hexdominated），网格划分技术选择扫掠（Sweep），算法选择进阶算法（Advancing front），同时勾选该选项下的复选框。

5. 网格划分

设置完成后单击工具箱中的并按鼠标中键确认，完成球销网格划分，如图2-11所示。

6. 定义单元类型

单击工具箱中的，根据窗口左下角的提示，定义全部单元类型，按图2-12所示定义C3D8R单元类型。

2.3.3 定义材料

切换到Property模块，为Part:qiuxiao定义材料。

1. 创建材料属性

单击工具箱中的，弹出图2-13所示的对话框，先将材料命名为Steel_40Cr，然后单击Mechanical，分别选择Elastic和Plastic，设置弹性参数和塑性参数。弹性参数中设置杨氏模量为210000MPa、泊松比为0.3；塑性参数中设置屈服应力为918MPa、塑性应变为0。

2. 创建截面属性

单击工具箱中的，弹出图2-14所示的对话框，将截面命名为qiuxiao，单击Continue按钮，弹出图2-15所示的对话框，选择材料为Steel_40Cr，单击OK按钮确认。

3. 指定截面属性

单击工具箱中的，按窗口左下角的提示，选择整个球销模型并按鼠标中键确认，弹出图2-16所示的对话框，在对话框中选择qiuxiao截面并单击OK按钮确认。

2.3.4 创建装配

切换到Assembly模块，将qiuxiao模型装入。

单击工具箱中的命令，弹出图2-17所示的对话框，在对话框中选择qiuxiao并单击OK按钮确认。

2.3.5 创建分析步

切换到Step模块，为球销分析设置分析步。

单击工具箱中的，弹出图2-18所示的对话框，选择Static,Riks分析类型并单击Continue按钮，弹出图2-19所示的对话框，在Basic选项卡下Nlgeom后面选择ON，然后切换到Incrementation选项卡，保持里面的默认参数，最后单击OK按钮确认。

2.3.6 创建参考点及耦合

切换到Interaction模块，为球销球中心创建耦合作用点。

单击工具箱中的，在窗口左下角提示区内输入X,Y,Z(0,0,0)坐标，即坐标零点位置（此模型球销球中心刚好建在坐标零点位置），然后按鼠标中键确认。接下来将参考点耦合到球销球面上，单击工具箱中的，弹出图2-20所示的对话框，选择Coupling并单击Continue按钮，根据窗口左下角的提示选择上一步创建的参考点，按鼠标中键确认，在提示区选择Surface按钮，然后选择耦合点作用面（按Shift键选择球销的4个球面部分），按鼠标中键确认，弹出图2-21所示的对话框，选择Continuum distributing，再单击OK按钮确认。

2.3.7 创建边界条件和载荷

切换到Load模块，为球销模型施加边界条件和载荷。

1. 创建边界条件

单击工具箱中的，弹出图2-22所示的对话框，在分析步中选择Initial，在分析步类型中选择Displacement/Rotation，单击Continue按钮，按左下角提示按Shift键选择4个锥度配合面并按鼠标中键确认。在弹出对话框中，结合当前模型坐标系，限制其自由度，按图2-23所示进行设定，并单击OK按钮确认。

2. 创建载荷

单击工具箱中的，弹出图2-24所示的对话框，在分析步中选择Step-1，分析步类型中选择Concentrated force，单击Continue按钮。按左下角提示选择球销模型上耦合点，并按鼠标中键确认，弹出图2-25所示的对话框，在CF2栏中输入任意值（如输入100），其余为0，即只在Y方向加载，然后单击OK按钮确认，边界条件及载荷视图如图2-26所示。

2.3.8 创建并提交作业

切换到Job模块。

1. 创建作业

单击工具箱中的，弹出图2-27所示的对话框，在对话框中命名为qiuxiao，然后单击Continue按钮，弹出另一对话框，参数保持默认，直接单击OK按钮确认。

2. 提交和监控作业

应用命令Job→Submit:qiuxiao，提交作业。

应用命令Job→Monitor:qiuxiao，可监控求解过程，直到进行到100次增量步才完成求解。

应用命令Job→Results:qiuxiao，自动切换到后处理模块，以查看求解结果。

2.4 查看结果

切换到Visualization模块，查看分析结果。

1. 应力和变形

单击工具箱中的，出现图2-28所示的分析结果变形图，此分析结果为求解100个增量步之后的结果图，图2-29为分析结果应力分布图。

2. 载荷和位移曲线

应用命令Tools→XY Date→Create，弹出图2-30所示的对话框，选择ODB field output，单击Continue按钮，然后依次按图2-31和图2-32进行操作。

3. 载荷-位移曲线

应用命令Tools→XY Date→Create，弹出图2-33所示的对话框，选择Operate on XY data，单击Continue按钮，弹出图2-34所示的对话框，然后在右侧Operators下选择combine(X,X)，接着依次选择XY Data下的U和CF两行数据（先选U再选CF），最后单击Plot Expression按钮，弹出图2-35所示的位移-载荷曲线。

4. 结果查询

单击工具箱中的，弹出图2-36所示的对话框，然后选择Probe values，查询位移载荷曲线上的值，分析结果如图2-37所示。由图可知，载荷加载到87554.6N时，球销开始屈服，也就是说该球销的极限载荷为87554.6N，而该球销的设计载荷为4000×9.8=39200N，所以该汽车球销的安全系数为2.23；而汽车设计里推荐的理论安全系数为1.7～2.4，所以该汽车球销在所给定载荷作用下，不会发生屈曲，完全符合设计要求。

2.5 inp文件解释

打开工作目录下的qiuxiao.inp，节选如下：

2.6 小结和点评

本讲以汽车球销为研究对象，采用Riks分析步求解其设计安全性，并详细讲解建模和分析过程。良好的球销设计能够保证汽车操纵的稳定性、行驶的平顺性和舒适性等，同时，球销作为汽车转向系统中传递载荷的重要零件，对其进行有限元分析预测是必不可少的。

点评：魏先潘CAE高级工程师
宁波舜宇光电信息有限公司