1、应用背景

某型客车的前悬架结构采用了由上下摆臂组成的双摆臂扭簧结构，该客车在行驶过程当中， 出现了前悬下摆臂扭簧座严重断裂的现象，如图1所示，其断裂位置在图1 中的黑色框内。扭簧座断裂，严重危及客车的行驶安全。现运用CAE 仿真技术，找出扭簧座断裂的原因，保证客车的安全行驶。

图1 扭簧座的断裂照片

2、建立有限元模型

本次工程案例， 通过选择ABAQUS 软件对前悬架下摆臂进行有限元分析， 解决扭簧座断裂的问题。

在接触分析过程中，如要使计算收敛，需要注意多种因素，如接触面单元网格、足够的约束条件、合理的定义接触面、接触参数等。

图2 前悬下摆臂部件模型图

如果运用整车模型来计算，网格数量多，增加了计算量和计算难度，计算效率低。因此采用局部模型计算的思路：对前悬下摆臂部件进行建模，通过整车模型利用Hyerworks 软件计算典型的扭转工况，将计算提取的扭杆的轴力、弯矩等边界内力施加在扭簧座的花键套位置，并且考虑了接触问题来模拟该车型前悬下摆臂部件的运动。其中前悬下摆臂部件模型如图2 所示。

2.1材料与属性

对于该模型，采用一阶的四面体和六面体单元划分网格，并赋予材料属性。具体的材料属性 如表1 所示。

2.2载荷

2.2.1花键套位置加载说明

通过建立包含上下摆臂、扭簧座等前悬各部件的整车模型，然后提取扭转工况计算所得的轴力，弯矩等，接着把这些边界内力施加在扭簧座与扭簧相连的花键套位置，相应的边界力与数值如图3 所示。

图3 花键套位置加载示意图

2.2.2后臂端加载说明

在与轮毂连接的后臂端，施加两倍垂直载荷的力，即16000N，方向为Z 轴向上，如图4 所示。

图4    后臂端加载示意图

2.3边界条件

在后臂末端与前臂末端，放开X 向的转动，并约束其它方向的自由度，同时在与扭簧座连接的扭杆端面，对其进行全约束。

3、计算结果

3.1 整体应力云图

如图5 所示，为前悬下摆臂部件整体模型的应力云图。从图中看到，部件中的扭簧座具有很高的应力，大部分地方超过了屈服极限500Mpa。

图5 整体应力云图

图6 扭簧座应力云图

3.2 扭簧座应力云图

单独提取扭簧座的应力，应力云图如图 6 所示。在内圈拐角处的应力均在620Mpa 以上，因此拐角处为明显的高应力区。如此的高应力，容易形成疲劳破坏。依据传力路线原理，此区域为扭簧座断裂的源头。

4、断裂分析与改进

通过对比实际断裂照片和 ABAQUS 软件计算结果，发现计算得出的高应力区域，正好是实际中断裂部分，裂纹的起始点和裂纹的发展与实际情况吻合，如图7所示。

图7    分析结果对比

通过分析扭簧座的结构发现，扭簧座拐角的设计，容易引起应力集中，导致高应力的产生以及后面的断裂现象。为了消除这一应力集中，在原有扭簧座结构基础上，进行了结构的修正，调整了扭簧座的端面高度以及中心面的位置，最后消除了故障。

5、总结

ABAQUS 软件可以解决许多非线性准静态多接触问题，但是如果在整车模型中计算小零件的话，网格单元数量大，导致计算耗时。采用局部模型计算的方法， 通过内力的提取， 计算了应力，得出与实际断裂相吻合的高应力区域。根据计算结果还可以进一步优化零件的结构设计，对下一步的截面修改提出可行性意见。