转向节作为汽车底盘上非常关键的安全零件，起到承受载荷和转向等重要作用。在汽车底盘零部件设计中，转向节设计具有十分重要的地位和代表性［1］。转向节不仅承受地面对车轮的垂向冲击，而且承受车辆转弯或制动时产生的横向力、纵向力和力矩，并将汽车的悬架、前车轴、转向系统和制动器有效地连接起来，因此转向节的强度性能直接影响汽车行驶的安全性和可靠性。对于转向节这种结构形状、加工工艺、受载形式都比较复杂的机械零部件，在制造过程中往往要定期随机抽样进行刚度、强度、疲劳等一系列的检测试验。这是一个反复修改和调整的过程，费时费力［2］。因此建立转向节有限元模型，在计算机上模拟相关试验，会大大缩短设计和检测所需的时间；待仿真结果符合标准后再进行随机抽样试验，可以减少抽样数目，降低生产成本。

文中以某公司生产的一款麦弗逊悬架转向节为研究对象，参照企业标准，对转向节静破坏台架试验包含的4种加载工况进行有限元仿真，并与试验结果进行对比验证。

讲武堂（1912年后，改为讲武学校，这里统称“讲武堂”）初创于1907年，开学7个月后停办，1909年中秋节复办。

1 转向节有限元模型建立

1.1 建模软件及分析平台

采用Catia V5R21建立转向节三维实体模型时，可以迅速地创建辅助几何元素，如各工况下的加载点和加载方向等，为有限元分析中边界条件的设置提供方便。HyperWorks在CAE技术上提供了一站式解决方案[3]。文中主要应用其中的前处理工具HyperMesh建立转向节有限元模型，借助Opti-Struct求解器中的隐式非线性分析计算功能模拟转向节的4种静破坏台架试验工况，再通过后处理工具HyperView、HyperGraph对仿真试验数据进行处理得到各工况下转向节所能承受的极限载荷。

1.2 网格划分及材料属性

将转向节三维实体模型转化为STP格式后导入HyperMesh进行几何清理，对其表面划分基本尺寸为2mm的二维网格。检查翘曲度、长宽比、雅克比、扭曲度等二维单元质量标准，保证面网格质量的前提下才能生成合格的体网格。通过Tetramesh对模型进行四面体网格划分，并将所有2D网格删除，只保留3D网格，以免影响求解器正常计算。四面体网格节点数为77962、单元数为341719。

OptiStruct中有多种材料模型，包括各向同性材料、各向异性材料、正交各向异性材料和各种非线性材料。本模型应用MAT1定义各向同性材料，计算中所使用的材料参数如表1所示。由于需要考虑转向节模型的材料非线性，文中还采用MATS1卡片设置增强线性材料MAT1的非线性响应，通过塑性区域全应力-应变曲线定义弹塑性材料的性能。设置von Mises屈服准则、Isotropic等向强化准则，图1即材料真实应力-应变曲线。

 

表1 转向节材料属性

  

材料名称泊松比密度/（t·mm-3）球墨铸铁0.26 7.0×10-9弹性模量/MPa屈服强度/MPa抗拉强度/MPa 1.7×105≥310≥480

  

图1 材料真实应力-应变曲线

1.3 转向节试验工况边界条件

为了验证有限元分析的结果，进行转向节静破坏台架试验。试验装置为静破坏试验机，型号为SHT-4505微机控制电液伺服万能试验机，主要包括零件夹持部分、加载部分和测试部分。

 

表2 各工况加载表

  

工况 加载点1 2 3 4 RA约束约束轮心x、y方向和点A在x、y、z方向上的平动自由度约束轮心x、y方向和点R在x、y、z方向上的平动自由度试验标准载荷/kN 12.9 28.5 24.6 41.7仿真加载值/kN 25.8 57.0 49.2 83.4

  

图2 转向节有限元模型

2 有限元计算结果及后处理

原来，琵琵仙早就爱上了年过四十的铁头大哥。铁头大哥妻子早逝，儿子年幼，因无妻室，生活多艰。但他对亡妻用情很深，这多年来拒绝再娶。琵琶仙多次表明心迹，愿为其子继母，均被铁头拒绝。今晚掌灯时分，铁头大哥又来闹春楼，把寄养在此的儿子接走了。因为一片痴情再次被大哥拒绝，琵琶仙很是伤心。说到动情处，琵琶仙声泪俱下，悲痛欲绝。

弹塑性问题有限元分析的关键在于物理方程的处理。不同类型的非线性结构问题应采用不同的非线性方程求解。对于精度要求较高而计算规模不太大的问题，采用静力隐式算法，其特征是迭代计算，在每一增量步内都需要对平衡方程进行迭代。处理线性问题时是无条件稳定的；在求解非线性问题时，则通过一系列线性逼近，如Newton-Raphson迭代法（N-R法），将总载荷分成一系列载荷段，在每一载荷段内进行非线性方程的迭代。OptiStruct提供了隐式非线性分析计算功能，在进行各种类型的非线性分析中，控制参数的设置是最为关键的一步，直接影响计算效率和计算精度。各工况须设置ANALYSIS=NLGEOM；采用控制卡片“DTI，UNITS”定义单位系统；在NLPARM和NLPARMX中设置求解器控制，在此说明首先应尝试默认值，若出现非单元质量引起的报错而无法正常计算，可以对部分控制参数作适当修改。主要参数包括：定义载荷增量步数NINC，为1时表示无增量加载，基于全量理论表示计算结果只与状态有关而与加载过程无关，本模型设置为100，表示将各工况下的载荷分为100个载荷段进行N-R迭代；收敛准则及收敛误差等求解器控制参数，CONV用于选定相应的收敛标准类型为位移、载荷或功，分别用EPSU、EPSP和EPSW设置，均选用默认值。再选取位移、应力、应变等输出控制参数，创建geom nonlinear（impl static）隐式非线性分析工况，确定仿真时间；可方便快捷地求解模型。

确保转向节在试验台上安装牢固，各连接和加载部位不得出现松动。对所有样件进行编号，按照试验标准进行加载。以工况1为例，点R在F1方向进行静破坏测试，规格压力为12.9 kN，加载速度为1mm·s-1，转向节发生破坏时试验结束，但加载上限值为25.8 kN。转向节装夹示意图如图7 a所示。

借助OptiStruct在对转向节进行隐式非线性（准）静态分析时［4］，通过创建强制载荷模拟了转向节静破坏台架试验的加载条件。由于定义了线性的载荷随时间变化历程，将时间作为中间变量，便于转化得到载荷与位移及应力的变化曲线，因此可以直观地看出转向节在各工况下的加载结果，确定构件达到抗拉强度极限的具体时刻，再通过查看模型每一步迭代计算的结果得到相应的载荷值即该工况下的极限载荷。通过有限元模型仿真，发现该转向节不能满足工况2的载荷要求。如图6所示，在HyperView中查看应力云图并确定应力集中位置，与试验结果进行对比，软件测量得出该工况下最大应力点距转向节前端132.68mm。

  

图3 转向节载荷-位移曲线

  

图4 工况1转向节应力云图

  

图5 工况1最大应力点载荷-应力曲线

②综合类。具有一定的空间定位能力，比较规范性的区域规划。综合策略类规划的特点是内容系统全面，既有区域社会经济发展战略研究的内容，又有各个部门、各个系统完整的经济建设空间布局规划的内容，对水资源的配置和使用有一定的说明，在其水资源专项规划中内容较为详尽。

 

表3 各工况极限载荷汇总

  

工况1234试验标准载荷/kN 12.9 28.5 24.6 41.7仿真极限载荷/kN 20.1 23.1 45.0 57.4达成率/%156.0 81.1 183.0 137.0结果判定合格不合格合格合格

  

图6 工况2转向节应力云图

3 转向节静破坏台架试验

根据企业《SPEC2010前转向节标准》中规定的试验加载条件，分别对转向节与减震器连接点R、转向节与下控制臂连接点A进行强度测试模拟，每个点分别进行2个方向的加载试验，模型为左前轮转向节，工况1对点R施加沿转向节中心孔轴线向车轮内侧的压力，记为F1；工况2对点R施加沿转向节中心孔轴线向车轮外侧的压力，记为F2；工况3对点A施加沿转向节中心孔轴线向车轮内侧的压力，记为F3；工况4对点A施加沿转向节中心孔轴线向车轮外侧的压力，记为F4。判定标准要求各工况下转向节即将破坏时所能承受的极限载荷不小于试验标准载荷。试验时的实际加载值最高达到试验标准载荷的2倍。采用rigids刚性单元模拟锥孔、下控制臂悬浮球销和上端支架部位的连接，SPC约束蜘蛛网状RBE2中心点。载荷类型选用NLOAD1（TYPE=LOAD）强制载荷，定义关于时间历程的线性函数，来模拟台架试验的负荷施加。仿真模型具体数据见表2，模型受力和约束见图2。

借助HyperView和HyperGraph查看转向节应力、应变、位移等计算结果，绘制各工况相关曲线图。以工况1为例，由加载点的载荷-时间曲线和位移-时间曲线可得到该工况下转向节的载荷-位移曲线（图3）；再由应力云图（图4）查看最大应力点的位置及其应力-时间曲线，绘制应力-载荷曲线（图5），读取转向节达到抗拉强度时的载荷值即极限载荷。对比试验加载标准，计算达成率，判断转向节是否满足规格要求，全部工况计算结果汇总见表3。

试验装置与计算机相联，记录加载点负荷曲线如图7 b所示，测得转向节在该加载工况下发生断裂时的实际压力为22.4 kN，满足规格压力，判定转向节在该试验加载条件下合格，计算实际压力与规格压力的比值即达成率，工况1达成率为173.9%，试验工件效果确认如图7 c所示。可以看出试验时测得的载荷曲线在转向节断裂后有一段下降，是因为材料达到抗拉强度后零件破坏不再承载，试验机自动停止加载，但仿真软件并不能将这一真实物理现象表示出来，软件计算到最后，仅能根据导入的应力-应变曲线使模型变形依然存在而应力不再增加，出现如图5末端所示情况。

试验中，工况2未达到标准载荷的要求就发生断裂，需更换样件再进行一次静破坏试验，均不达成目标，判定试验失败。测量断面到前端的距离为140.34mm，转向节断裂部位如图8所示，与有限元仿真结果基本一致。全部工况试验结果及与仿真对比汇总如表4所示。

1.1 对象 选择2012年3—10月收治于我院内科老年患者500例，进行定性评估及跌倒危险因子评分。随机回抽2011年内科系统实施院内监控的防跌倒患者500例作为对照组。入组标准:①有跌倒史;②年龄≥60岁;③可独立行走或站立10～20 min，Tetrax跌倒风险指数测定过程需5 min。实验组中男296例，女304例，平均年龄73.4岁;对照组中男278例，女322例，平均年龄71.7岁。两组患者住院环境、性别、年龄、患慢性疾病种类、文化程度和跌倒病史比较，差异无统计意义(P ＞0.05)。

  

图7 工况1试验

  

图8 工况2断裂部位

 

表4 转向节台架试验结果汇总

  

工况1 2（1）2（2）34试验标准载荷/kN 12.9 28.5 28.5 24.6 41.7实际加载载荷/kN 22.4 26.7 25.4 48.9 62.3实际达成率/%173.9 93.5 89.3 199.0 149.0结果合格不合格不合格合格合格仿真达成率/%156.0 81.1 81.1 183.0 137.0仿真误差/%9.8 13.2 9.1 8.0 8.1

4 结论

基于HyperWorks有限元仿真平台对一款麦弗逊悬架转向节进行了静破坏台架试验的模拟，并简要介绍隐式非线性分析方法。由于试验加载速度较缓慢，仅为1mm·s-1，因此有限元分析采用（准）静态非线性分析进行仿真。有限元仿真结果显示，该转向节不能达到工况2的载荷要求，与台架试验结果一致，且仿真预测的断裂位置与试验结果基本相同，可以确认该转向节存在结构强度不足的缺陷，需要进行结构改进设计。而其他3种工况下仿真计算得到的极限载荷与试验结果对比，误差均在10%左右，由此可见，应用有限元分析技术对汽车转向节进行强度分析是可行的，一定程度上替代了传统设计中资源消耗极大的物理样机试验过程，减少了设计成本，缩短了设计和分析的循环周期，对汽车底盘零部件设计开发具有重要的指导意义。

参考文献：

［1］王廷喜，林涌周，谷玉川，等.麦弗逊悬架转向节强度分析与优化设计［J］.汽车零部件，2015（5）：30-34.

［2］周宁，李磊，夏细荣，等.轿车用转向节试验方法［J］.汽车工程师，2011（8）：44-46.

［3］李楚琳，张胜兰，冯樱，等.HyperWorks分析应用实例［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［4］欧贺国，方献军，洪清泉，等.RADIOSS理论基础与工程应用［M］.北京：机械工业出版社，2013.