![ABAQUS分析之美](https://wfqqreader-1252317822.image.myqcloud.com/cover/867/24981867/b_24981867.jpg)
第2讲 汽车球销安全分析
主讲人:谢卫亮
软件版本
Abaqus 2017、Solid Works 2016(可选)
难度等级
★★☆☆☆
分析目的
汽车球销进行线性静力分析以评估其安全性
知识要点
部件导入和切分、材料定义、创建分析步、网格划分、求解和后处理
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-31-1.jpg?sign=1739312019-Nsl4cBQogtqi2ufPUuOQH8HyMfmZReOe-0-b76562e5e61c076d4caf661d171cd80a)
图2-1 汽车球销设计图
○ Abaqus中的量是没有单位的,因此在使用时必须要统一单位,否则就会导致计算结果与实际值不符,本讲采用的长度单位是mm,力、质量和时间的单位分别是N、t和s。
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-32-6.jpg?sign=1739312019-f0vAp6iyBd0a57GsCXyRzuZSO0g1CaXO-0-e27b42241a37295045f457aac1395c76)
图2-2 连接SolidWorks
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-32-7.jpg?sign=1739312019-vZmHrYEalw4hilmjhmqhJJ6PCnN8LKD7-0-17399de239c3e11916683fd682939ae4)
图2-3 输入模型
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-32-8.jpg?sign=1739312019-TDM1BzwwQddh0yiIFQ34jj1emVnBZvdW-0-23f6f5893a23bd3bfd4126446ae2a364)
图2-4 汽车球销模型
○ 以上操作的前提是SolidWorks已安装与Abaqus接口,否则,请直接在Abaqus中导入qiuxiao.x_t。
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-32-9.jpg?sign=1739312019-eZxcH3vgaq1xf2RRISk0XrKUawEWG3at-0-b8aa15dce99b098dc75a9ef899d57307)
图2-5 重命名Model-1
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-33-4.jpg?sign=1739312019-hrzFlWQvuoYGyMb4brKMM1i6OAcopRZY-0-78a8b1c1301ac8a6e8d845ce7a6ad6dc)
图2-6 创建基准轴
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-33-5.jpg?sign=1739312019-R5pr5CE3KoMkPsoEqUJUKpcfHjSuukBj-0-77b82d88db0d445498d969788342bdc7)
图2-7 创建基准面
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-33-11.jpg?sign=1739312019-deuDqtEmsyg2Kf8ULwu25Vvf4Kx7hMUa-0-287e188f7166b286aee689e3791bcdc8)
图2-8 拆分球销体
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-33-12.jpg?sign=1739312019-vrr3g7V5lXmiIBsNoKtDPPpgdYk4fZv1-0-d3759ff1f18342d93f5ff122fac39cd6)
图2-9 设置全局种子尺寸
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-33-13.jpg?sign=1739312019-cyDP1nnS9hl4GWA66euDVOIp0XcLq2B7-0-c309e8c588ab169b254e41013ccc623d)
图2-10 设置网格属性
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-33-15.jpg?sign=1739312019-m3C6UHoNDAhN0sySRoDGsok9329B2AQd-0-668393fd85a342842b04330100a514ee)
图2-11 球销网格模型
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-34-3.jpg?sign=1739312019-qN4xCMif5GrQXvJJ9CGZ0QXcvjCEkGyb-0-2695de34cc78d3dc004329c2b85ff346)
图2-12 定义单元类型
○ 用户可应用命令Mesh→Verify检查单元质量。
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-34-6.jpg?sign=1739312019-P1p4xteJNVoiiLRe1MwElnHb5C9Oaoer-0-c00a3bc7a44c166fe0026146fdb05399)
图2-13 创建材料属性
○ Abaqus中自定义材料时,Name的首位建议是英文字母。
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-34-8.jpg?sign=1739312019-vRgDORxJMPjoGCPaKudMaeitCya758XX-0-8b10449b1c8594970049af1a84c5964d)
图2-14 创建截面属性
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-34-9.jpg?sign=1739312019-JXdOPLCQ8Kwy35GoB6jENE4nTgqAfdCD-0-278d9264d395bd828be206b2cfb33809)
图2-15 为截面指定材料
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-35-3.jpg?sign=1739312019-kJeAnDh98DBNhzXsoJzVYoLZjHIdlqv1-0-62885c3945ab76900c7c0a6958b137fe)
图2-16 指定截面属性
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-35-6.jpg?sign=1739312019-TTVH5xokOQyrPo1RTIj7GwJU7ValHc0W-0-845a2f5576d19a8a8ce10536f52b5eb5)
图2-17 装配模型
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-35-9.jpg?sign=1739312019-3RLui6GT2sQproOF0zqGR7DVy9dJC9D3-0-c96e16684a34103637b85662150fd340)
图2-18 选择分析类型
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-35-10.jpg?sign=1739312019-Uo5lPa6gydNFItcTsFS1aHBEj6jlbUUX-0-fa422754ce0fa3a982d36634078f2a27)
图2-19 设置分析步参数
○ 1. Static,Riks常用于非线性屈曲分析。
2. 汽车球销设计时,极限载荷不确定,用Static,Riks分析进行极限载荷的确认。
3. 在分析时给定任意载荷,此时分析会根据所给定的分析增量步的大小来终止分析(增量步大小可设置得适当大一些)。
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-36-6.jpg?sign=1739312019-O2sVDIs0hNHYILBtdB1Td6NAVuqi3e8f-0-c2a9ce186cbe1ba65eda6ed0c176b5fb)
图2-20 选择约束类型
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-36-7.jpg?sign=1739312019-X3775SXLHoYbxuj8c2p97R4Unm6gDMVz-0-f0d5df94b041274c6ae0aabf8fe9ba69)
图2-21 设置耦合参数
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-36-10.jpg?sign=1739312019-w4aYFERUtHaVAfMem9OhVBONQoqU85O4-0-09ad33d0779264a0d6ca70dad527886b)
图2-22 选择分析步类型
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-36-11.jpg?sign=1739312019-JJbNsFtJkyv5rT84cgmcDVzEFIKb5oOn-0-f7a8b040e75cc673d6ff63404f10dff9)
图2-23 限制自由度
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-36-13.jpg?sign=1739312019-rheXzaUC6WDINLoNrjYpmIciBN9yOYIF-0-91bd2b6c0b58d23c2ec394c37556ec82)
图2-24 选择分析步类型
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-36-14.jpg?sign=1739312019-DFtv04Fz3jUcCa5QNPXXmL7uXaUdFh7l-0-ba260333dda9c1cabee19af5f03a0769)
图2-25 设置载荷参数
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-37-1.jpg?sign=1739312019-XRWpiJ7IDXbX5wUK0WDYLr08LmJFTQzo-0-553d2982c950736c0cac6dcd66970efe)
图2-26 载荷和边界条件
○ 在CF2处输入任意值(如输入100),是因为前面分析步选择的是Static, Riks,此分析类型是一直分析到给定分析步为止,即前面分析步中设定的100为止。
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-37-4.jpg?sign=1739312019-ThPpeTywREqYH4vmSjkSWv2g2lvXztdS-0-b45403e9cd055d8ea974ee4afa204f0e)
图2-27 创建作业
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-37-7.jpg?sign=1739312019-W7qeu3nCoCcxQjf5zRO4lf0DGSsuxh9X-0-f09ae526062561f1c30d3b83254c80bf)
图2-28 分析结果变形图
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-37-8.jpg?sign=1739312019-5NblddZVifWPIVpEYqUOSuU5U30POXgn-0-a24e8d6526f1203efecec749c2cefbd7)
图2-29 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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-38-1.jpg?sign=1739312019-VyKNgN0bq1zzkaWequjlHRv2Fu9wZAju-0-a6ccceb539ad7fbbb20ed814dba2fe3f)
图2-30 创建XY数据
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-38-2.jpg?sign=1739312019-uBqGwaTPzd5PXL8kKfGQNFQR8GoDa6Qc-0-fcbabca79ad34595a36ced68a9627d3e)
图2-31 选择输出变量
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-38-3.jpg?sign=1739312019-PEVjkSQ9MuAStbaWQidcKorEWoPQULMO-0-f0e6e10c0f2a92e67edd27528dbb7de7)
图2-32 选择作用点
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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-38-4.jpg?sign=1739312019-XOBacjNClDIfF5Q1bkVMd0QfH1GXornq-0-bcd683943a79ff20c4a978ff964ffbe6)
图2-33 操作XY数据
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-38-5.jpg?sign=1739312019-d3CGXBsrdm8pHEfbEdtebrIRcF2mT4Hz-0-a56c1343a553ea7b18d40d159d06a914)
图2-34 创建作业
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-38-6.jpg?sign=1739312019-hE3Lvm6t0b8L4hmK6lsaRbfmmKgJ4p8M-0-c3b27d77bac31fbd0e588419f2ac0044)
图2-35 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。
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-39-1.jpg?sign=1739312019-1v45EeIKBNUVL7LLKrti9mYJNJZ9l1DH-0-d2458bf0b7142a2aef149f436bf4d6d1)
图2-36 查询工具
![](https://epubservercos.yuewen.com/321567/13311749305156506/epubprivate/OEBPS/Images/48510-00-39-2.jpg?sign=1739312019-Sgzk4V8zqKR9fcCZa1wcUfjnQ5El0aQc-0-f8e68265081fda02acd4988767c87e11)
图2-37 分析结果
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