球鉸
關注創建者：KHAN_5339 創建時間：2020-08-28
球鉸的視頻教程
Abaqus汽車球鉸防塵罩有限元分析
基于abaqus分析了球鉸球銷與對接件聯接后擺動到極限擺角位置的工況。球鉸廣泛應用在如控制臂、轉向拉桿、穩定桿連桿等部件上。其中橡膠防塵罩是球鉸重要的零部件，本案例對球鉸結構進行了簡化，分析了球銷擺動和橡膠的變形。
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HyperMesh+LS-DYNA__球鉸連接關系_連接變形體和變形體
本期視頻利用汽車上一個零部件有限元模型，講解在HyperMesh中，LS-DYNA工作環境下，如何在兩個變形體之間之間創建球鉸連接關系。 球鉸連接關系特點：限制被連接體的3個平動自由度，不限制被連接體的3個轉動自由度。
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球鉸的實例教程
結構的剛性部分可以使用MPC184的剛性桿或剛性梁單元來模擬，運動部分可以使用MPC184的滑塊，球鉸，銷軸和萬向聯軸器單元模擬。因為這些單元使用拉格朗日乘子法實現，ANSYS能夠輸出約束反力和力矩。
約束單元
如果沒有其它說明，使用這些單元時，三維單元選項(KEYOPT(2) = 0)為默認值。
1.球鉸模型
球鉸
設置KEYOPT(1) = 5來定義二節點的球鉸。兩個節點必須重合。3維球鉸每個節點有三個自由度(x，y和z方向平移)。2維球鉸單元(KEYOPT(2) = 1)每個節點有二個自由度(x，y方向平移)。
球鉸單元的運動約束施加方式：組成單元的兩個節點平移位移保持一致；不約束轉動自由度（如果存在）
圖184.2: "MPC184球鉸約束幾何"顯示單元的幾何形狀和節點位置。單元由二個節點(I，J和K)定義。假設節點二個節點(I和J)具有相同的空間坐標。
圖184.2: MPC184球鉸約束幾何
該單元不必輸入材料剛度特性，目前不支持單元生死。
MPC184球鉸單元輸入概要總結了單元輸入參數。 MPC184球鉸單元輸出數據提供單元輸出的常用描述。
MPC184單元的假設和限制
球鉸單元限制
· 節點I和J必須重合。
· 不能在組成球鉸單元的節點上施加位移邊界條件。
· 方程求解器(EQSLV)必須選稀疏矩陣求解器。
展開 在汽車工程實踐過程中，
球鉸應用在汽車底盤部件，
如控制臂、轉向拉桿、穩定桿連桿等部件上。
橡膠防塵罩是球鉸重要的零部件。
防塵罩失效會導致球鉸失效。
因此在設計防塵罩的過程中，
需要確定防塵罩的輪廓變化。
今天和大家聊一聊球鉸防塵罩的仿真分析。
本文參照了《研究與開發》雜志的《汽車球鉸防塵罩的有限元分析》有興趣的也可以下載研究一下。
本文主要內容:
一、防塵罩仿真工況介紹
二、abaqus橡膠防塵罩有限元分析step by step
1、 網格劃分
2、材料屬性賦予
3、零部件裝配
4、建立載荷步
5、接觸設置
6、建立邊界條件
7、建立job求解
一、防塵罩仿真工況介紹
球鉸工況分析，我們今天聊的是球關節球銷與對接件聯接后擺動到極限擺角位置的工況。
球鉸工況分析，我們今天聊的是球鉸球銷與對接件聯接后擺動到極限擺角位置的工況。
為了節約計算資源，我們將分析模型進行簡化。
防塵罩、球銷、底座基本尺寸如下，防塵罩的輪廓尺寸請大家自己根據實際情況畫一下，本次聊的內容是分析軟件的使用方法。
二、abaqus橡膠防塵罩有限元分析step by step
1、網格劃分
按照下圖導入3D實體。
將零部件重新命名便于管理
對底座進行網格劃分
選擇Mesh，Part選擇“dizuo”
如圖設置種子尺寸
使用鼠標選擇零部件
單元類型選擇四面體，具體設置如圖。
展開 定義設計空間：
· 根據控制臂的安裝點（襯套和球鉸）和輪轂連接點，創建一個盡可能大的包絡體（Bounding Box）作為初始設計區域。本文擺臂設計空間與非設計空間如圖1所示：
圖1 擺臂拓撲優化模型
2. 設定非設計區域：
· 關鍵區域：安裝點（必須保留實體以安裝襯套和球鉸）、與車輪連接的螺栓孔等。這些區域在優化中保持不變。
3. 施加工況與載荷：
· 基于ADAMS/Car等多體動力學仿真或臺架試驗數據，提取各典型工況下控制臂各連接點處的力和力矩。
· 垂向工況：在球鉸處施加Z向力，大小為18522N。
· 制動工況：在球鉸處施加-X向力，大小為-7938N。
· 側向工況：在球鉸處施加Y向力，大小為5292N。
· 正確施加邊界條件，本文約束控制臂前點和后點平動自由度，靜強度工況分析如圖2所示：
圖2 擺臂拓撲優化靜強度工況
4. 分配權重：
· 與設計工程師共同確定各工況的權重。例如，如果車輛更注重舒適性，則垂向工況權重可設為0.5，制動和側向各0.25。如圖3所示：
圖3 加權柔度響應設置
5. 設置優化參數：
· 目標體積分數：設置為0.3（即最終材料用量為設計空間的30%），設置如圖4所示。
圖4 體積分數約束設置
· 優化目標：以最小柔度作為優化目標，設置如圖5所示。
圖5 優化最小柔度設置
· 懲罰因子p：通常為3。
· 濾波：必須采用靈敏度濾波或密度濾波來抑制棋盤格現象并確保 mesh-independence。
6.
展開 上橫臂一端通過球鉸與轉向節相連，另一端通過轉動鉸與車身相連，使其可相對車身上下擺動。下橫臂一端通過球鉸與轉向節相連，另一端通過轉動鉸與車身相連。轉向橫拉桿一端通過球鉸與轉向節拉臂相連、另一端通過球鉸與轉向主拉桿相連，縱置扭桿彈簧一端通過固定鉸與下橫臂相連，另一端通過固定鉸與車身相連。車輪（即hub構件）通過轉動鉸與轉向節相連。穩定桿中部自由地支承在兩個固定在車架上的橡膠套筒內。穩定桿連桿一端通過等速萬向節與穩定桿連接，另一端通過球鉸與下控制臂連接。具體結構簡圖見圖1所示：
（二）后鋼板彈簧多體動力學模型
由于鋼板彈簧由多片長短不一的簧片疊加組成，力學特性較為復雜，既是彈性元件，又是傳遞縱向、側向地面作用力的傳力元件，因此建立鋼板彈簧懸架模型是構造車輛多體模型的一大難點。這里利用等效中性面法建立了C型車用鋼板彈簧懸架模型并驗證了模型的正確性。其原理是：所有主簧可以簡化為在某個等效中性面的單片主簧，即沿板簧厚度方向中間層組成的近似曲面，再將中性面按厚度基本相似原則分成若干等強度直線段，利用ADAMS中的BEAM單元模擬這些等強度直線段，每段間以Flexible（柔性）方式連接小剛體過渡;按板簧中性面上各段真實質量特性設定對應BEAM單元質量參數。副簧的建模可以單獨劃分若干段，每段的長度應和其對應的主簧分段長度接近。主副簧之間的約束問題通過在接觸位置加IMPACT力來實現。
完成后的鋼板彈簧自由狀態時多體模型見圖2所示：
（三）扭桿彈簧參數及模型
扭桿彈簧一端與下控制臂相連，另一端與車身相連。根據實際問題的需要，在ADAMS軟件中采用力約束rotational—spring—damping來模擬扭桿彈簧的作用。
（四）橫向穩定桿模型
橫向穩定桿對汽車的操縱穩定性有重要影響。
展開 主銷/球鉸：施加約束（通常是旋轉約束，模擬主銷軸線）。
③載荷大小：載荷大小應基于車輛參數（重量、軸荷分配、重心高度、輪胎摩擦系數等）和設計目標（如滿足特定法規或耐久性目標）進行計算或通過多體動力學仿真（如 Adams/Car）提取，本例轉向節工況載荷加載如圖3所示：
圖3 轉向節工況加載圖
4.邊界條件定義：
①主銷/球鉸約束：在轉向節的主銷孔或球鉸安裝點施加約束，模擬其繞主銷軸線的旋轉自由度。通常約束 5 個自由度（除了繞主銷的旋轉自由度 Rx）。
②其他約束：根據具體分析模型，可能需要約束控制臂連接點的某些自由度。
優化問題定義 (OptiStruct Control Cards)：
①目標函數 (Objective)：最常用的是最小化柔度（最大化整體剛度），對應 DTPL卡片。有時在滿足性能約束下最小化質量 (MASS)，轉向節拓撲優化目標函數按照最小化質量進行設置
②約束條件 (Constraints)：
體積分數約束：定義設計空間允許使用的最大材料體積百分比 (`VOLFRAC`)。這是控制減重幅度的主要約束，VOLFRAC = 0.3 表示最多使用設計空間 30% 的材料）。
制造約束：
拔模方向約束 (DRAW):定義鑄造所需的拔模方向，確保優化結果可鑄造。
對稱約束 (SYMM):如果轉向節設計是左右對稱的（通常不是，因為主銷可能有后傾角、內傾角），可以施加對稱約束。
最小/最大成員尺寸控制 (MINDIM/MAXDIM):避免過細的桿件（制造困難，應力高）或過大的實體區域（不利于減重）。
性能約束 (可選但推薦)：
位移約束 (DISP):限制關鍵點（如輪心）的位移，保證懸架運動學/彈性運動學性能。
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球鉸的最新內容
· 垂向工況：在球鉸處施加Z向力，大小為18522N。
· 制動工況：在球鉸處施加-X向力，大小為-7938N。
· 側向工況：在球鉸處施加Y向力，大小為5292N。
· 正確施加邊界條件，本文約束控制臂前點和后點平動自由度，靜強度工況分析如圖2所示：
圖2 擺臂拓撲優化靜強度工況
4. 分配權重：
· 與設計工程師共同確定各工況的權重。
主銷/球鉸：施加約束（通常是旋轉約束，模擬主銷軸線）。
在最新的Altair MotionSolve 模塊中，提供了機械工具箱功能，專門來應對這兩個專業核心部件的建模工程，其中包括：
軸承建模：支持四類典型軸承類型（如圓柱滾子、深溝球、球鉸等），涵蓋大多數工業應用；
齒輪系統：支持外嚙合、內嚙合以及行星齒輪系統，配合 3D 接觸功能，可實現真實齒面載荷與強度計算；
履帶系統：針對工程機械中常見的履帶式底盤，Altair 提供了向導式建模工具
在最新的Altair MotionSolve 模塊中，提供了機械工具箱功能，專門來應對這兩個專業核心部件的建模工程，其中包括：
軸承建模：支持四類典型軸承類型（如圓柱滾子、深溝球、球鉸等），涵蓋大多數工業應用；
齒輪系統：支持外嚙合、內嚙合以及行星齒輪系統，配合 3D 接觸功能，可實現真實齒面載荷與強度計算；
履帶系統：針對工程機械中常見的履帶式底盤，Altair 提供了向導式建模工具
比如下面的示例：
描述Marker_1和Marker_2之間的約束方程如下所示：
GCON/1, FUN=DX(1) - AO(DX(2))
GCON/2, FUN=DY(1) - AO(DY(2))
GCON/3, FUN=DZ(1) - AO(DZ(2))
通過上述三條約束方程，實現兩個點的平動位移綁定，如果不用AO函數，將實現同球鉸一樣的效果，但是這里使用了AO函數
黏滯阻尼器的基本連接形式主要分為兩種：
兩端鉸接：消能部件與銷栓或球鉸等連接件之間的間隙應符合設計文件要求，當設計文件無要求時，間隙不應大于0.3mm；
一端鉸接、一端法蘭連接：阻尼器一段通過通過銷軸與結構梁柱節點連接，另一端通過法蘭盤與阻尼器支撐桿連接。
02黏滯阻尼器能否采用對角連接的支撐形式？
雙球節麥弗遜式獨立懸架，它將傳統一體式的下擺臂改為了兩根連桿，稱之為"下前控制臂"和"下后控制臂"，這種設計的特點是主銷下點設計自由度更大，橫向和縱向受力分開，有利于提高襯套、球鉸的壽命。同時，車輪轉向所需的輪拱內部空間也相對變小。
平轉體系包括球鉸、撐腳、環道和牽引索反力座等。
圖2 轉體體系設置
轉體實施的主要環節包括：張拉后錨索，建立后錨系統，分級同步張拉扣索和平衡索，進行拱肋脫架，隨即完成拱肋長度配切工作。
幾何模型的建立與編輯：創建點、線、面，標準幾何，拉伸，旋轉，掃描，布爾加/減，去除特征等
幾何模型處理：鏡像、陣列、合并（Merge）
Body的屬性設置
位置調整：Object Control
多種Joint：固定副、平動副、轉動副、圓柱副、螺旋副、球鉸
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下面我們看看具體的更新內容：
一、通用前處理
外部數據的位置變換
接觸殼元素作用域
球鉸摩擦性能
梁-梁接觸
End Release釋放自由度
熱流表數據
Geometry Import
二、螺栓工具
孔檢測/連接創建（曲面體）
反力探測向導
