ansys汽車轉向節分析的案例
基于ANSYS的汽車轉向節拓撲優化仿真分析
摘 要：本研究基于ANSYS軟件，針對汽車轉向節的拓撲結構優化展開了仿真分析。首先，針對不同的工藝約束，建立了多目標拓撲優化目標函數，通過比較不同拓撲優化結果的區別和優劣勢，選取了最優的拓撲優化建模方法。隨后，根據拓撲優化結果，建立了工程化結構數模。實驗結果表明，在所建立的多目標拓撲優化目標函數下，得到了一種在工藝約束下最優的汽車轉向節拓撲結構，并且該結構具有較好的力學性能和穩定性，可為實際工程應用提供參考。
關鍵詞：ANSYS;汽車轉向節;拓撲優化;工藝約束;多目標優化;力學性能;
1 引言
汽車轉向節是汽車轉向系統的重要部件，其結構和性能直接影響著汽車的操控性和安全性。傳統的轉向節設計通常采用經驗設計和試錯方法，存在設計時間長、成本高、效率低等問題，同時難以滿足不同工況下的需求。隨著計算機仿真技術的不斷發展，基于拓撲優化的汽車轉向節設計已經成為一個研究熱點。在不同的工藝約束下，通過建立多目標拓撲優化目標函數，可以快速高效地得到優化結果，有效提高轉向節的性能和質量。此外，拓撲優化設計還可以大幅減少設計時間和成本，提高設計效率和可靠性，同時降低產品開發風險，具有非常廣闊的應用前景。
2 汽車轉向節結構及其優化
2.1 汽車轉向節的結構和功能
汽車轉向節是汽車轉向系統中非常重要的部件之一，主要起到連接轉向系統和輪轂的作用。其主要功能是將駕駛員的轉向操作傳遞到車輪，控制車輛的方向和行駛狀態。傳統的汽車轉向節結構通常采用鑄造或鍛造的方式制造，形狀比較固定，存在一些設計上的局限性。而拓撲優化技術則可以通過對結構的重新設計和優化，實現優化結構的得到，進一步提高汽車轉向節的性能和質量[1]。
2.2 拓撲優化在汽車轉向節設計中的應用
拓撲優化作為一種優化設計方法，在汽車轉向節的設計中具有廣泛的應用。
展開 汽車轉向節的受力及疲勞分析仿真 ￥500
汽車轉向節是指汽車轉向系統中的重要組成部分，用于轉換駕駛員的轉向輸入，并將轉向力傳遞給車輛的輪胎。它通常包括轉向柱、轉向連接桿和轉向齒輪機構。汽車轉向節的疲勞分析是為了評估和預測轉向節的使用壽命和可靠性，以確保轉向系統安全穩定地運行。通過對汽車轉向節的疲勞分析，可以提前發現可能存在的問題，并采取相應的措施來改進設計、選擇更強度的材料或優化結構，以確保轉向系統的安全性和可靠性。
本案例基于一汽車轉向節結構，基于COMSOL軟件中的固體力學模塊和疲勞分析模塊對其進行了仿真計算，仿真結果如圖所示：
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展開 案例分享：汽車轉向節的通用疲勞分析
汽車轉向節作為一種關鍵的轉向組件，擔負著連接轉向機與前輪的重要任務。在日常行駛過程中，轉向節會經受著復雜的載荷和應力，例如來自路面不平的沖擊力、轉向時產生的側向力、制動時產生的摩擦力等。這些多元化的載荷會在轉向節上產生復雜的應力分布，從而增加了轉向節發生疲勞破壞的風險。
轉向節的疲勞損傷可能導致其斷裂或失效，從而危及行車安全，甚至可能造成嚴重的交通事故。因此，了解轉向節在何種條件下可能出現疲勞損傷，并據此制定預防措施，對于汽車的可靠性和耐久性至關重要。
為了保證汽車轉向節的可靠性和耐久性，原點疲勞軟件對其進行了全面的分析和評估：通過模擬各種日常行駛場景，分析轉向節在不同條件下的載荷和應力狀態；結合材料特性和應力疲勞分析模型，估算轉向節在不同工況下的疲勞壽命。對疲勞分析中發現的危險區域，可以進行針對性的改進和設計優化，以提高轉向節的性能和耐久性。
汽車轉向節疲勞壽命云圖
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展開 MeshFree在汽車轉向節分析中的應用
背景介紹
轉向節作為汽車底盤的關鍵結構件，對汽車的行駛安全起到重要的作用。轉向節承受來自路面及車身的載荷，受力工況復雜。
各主機廠對轉向節的強度和疲勞性能要求很高。另一方面，由于轉向節多為鑄件或鍛件，本身結構特征復雜，網格劃分的工作量較大。所以，轉向節的強度分析對工程師的能力要求高。在轉向節設計前期，快速評價設計方案通常是一件緊張而艱巨的工作。
本文，利用MeshFree對某轉向節進行了強度分析并與傳統CAE結果進行比較分析。轉向節模型如圖。
模型分析
將轉向節CAD數模導入MeshFree中，設置網格密度，效果如下圖:
詳細對比結果如下圖：
結論：
1、通過結果對比分析可知，兩者對變形模式和應力分布趨勢的預測比較接近；
2、MeshFree整個分析過程簡單快速，將普通CAE一天的工作量提升到1小時完成;
3、最大位移及應力存在一定差異，可能存在求解設置差異，需要對MeshFree做進一步的學習研究；
展開 
SimSolid實現汽車轉向節的快速分析
工程背景
轉向節作為汽車底盤的關鍵結構件，對汽車的行駛安全起到重要的作用。轉向節承受來自路面及車身的載荷，受力工況復雜。
各主機廠對轉向節的強度和疲勞性能要求很高。另一方面，由于轉向節多為鑄件或鍛件，本身結構特征復雜，網格劃分的工作量較大。所以，轉向節的強度分析對工程師的能力要求高。在轉向節設計前期，快速評價設計方案通常是一件緊張而艱巨的工作。
本文，利用SimSolid對某轉向節進行了強度分析并與傳統CAE結果進行比較分析。轉向節模型如圖
模型工況示意圖
分析結果
試用體會：
①實用：
信息查詢：零部件的重量重心，焊縫的條數和總長度等信息，右鍵快速統計查詢。
屬性測量：距離、板厚、坐標位置，通過測量工具輕松搞定。
快速截圖：Bookmark browser實現模型姿態快速保存查看，方便對比和輸出報告。
②高效：易用速算。
模型連接：無需幾何清理和網格劃分，直接基于幾何結構，自動創建部件間的連接關系。
工況定義：約束條件和載荷的定義快捷方便，術語簡潔明了。
求解分析：相對于CAE幾十分鐘的分析模型，分分鐘搞定；
結果精度：通過案例分析對比，完全滿足產品設計前期的方案對比與決策。
結論：
1、通過結果對比分析可知，兩者對變形模式和應力分布趨勢的預測比較接近；
2、MeshFree整個分析過程簡單快速，將普通CAE一天的工作量提升到1小時完成。
3、通過數據對比分析發現，SimSolid提供的快速分析工具，可以幫助設計工程師對新方案進行快速判斷，提高了設計效率。
展開 叉車用轉向節生產工藝分析
本文提到的轉向節為某品牌叉車使用零件，其作用是當叉車在水平路面行駛時，叉車輪子以水平軸為中心上下擺動，可減小車架的扭轉力矩，使得每個叉車輪子的載荷均勻，保證叉車行駛穩定。轉向節鍛件實物見圖1、3D 數模圖見圖2、鍛件圖主要尺寸見圖3。
圖1 轉向節鍛件
圖2 轉向節3D 數模
圖3 轉向節鍛件2D 圖
工藝分析
主設備選擇
產品鍛件重11.7kg，材質42CrMo，材質系數M1，形狀復雜系數S4。
依照計算公式P=K×σ×S。
其中，P——成形壓力，K——復雜系數，σ——材料強度極限，S——水平投影面積。
計算得到需要成形壓力為3029kN，根據公司設備狀況選擇4000t 熱模鍛壓力機作為主設備進行生產，315t 壓力機進行切邊。
工藝難點分析
該產品屬于立鍛軸類零件，形狀復雜系數高，成形較困難。之前開發的轉向節底部基本是一個臺階或臺階直徑差異較小，后續采用機加工的方式去除材料，而本產品臺階直徑差異較大，而且必須鍛造成形。其成形難點如下。
⑴尾部臺階φ26mm 的充滿性。由于預鍛型腔需要靠壓力壓入才能充滿，因此預鍛設計時桿部高度要小于終鍛高度，一般按高度設計尺寸系數0.8 ～0.9的終鍛高度取值，桿部頂部寬度預鍛與終鍛要相等。同時預鍛模具的型腔斜度需要增大，使預鍛毛坯到終鍛時與模壁有一定的間隙，從而減小模壁對金屬流動的阻力。由于預鍛斜度增大，使金屬不容易充滿，因此必須加大預鍛的R 角，但需要確保產品能充滿的同時在終鍛不會產生折疊。
展開 某款轉向節鑄改鍛工藝分析與實現
轉向節是汽車轉向橋中的重要零件之一，能夠使汽車穩定行駛并靈敏傳遞行駛方向。轉向節的作用是傳遞并承受汽車前部載荷，支撐并帶動前輪繞主銷轉動而使汽車轉向，汽車在行駛狀態下，轉向節承受著多變的沖擊載荷，因此要求其具有很高的性能。而轎車的質量要求更是毋庸置疑，對轉向節提出了更高標準的要求。
一汽鍛造公司承擔的此款轉向節為重點研發產品，其結構較為復雜，安全性能要求較高。毛坯前期策劃為鑄造工藝，經過工藝分析與仿真模擬測算，為了更好的保證產品功能性及使用性，最終確定了該產品的鑄改鍛方案。承接此產品后，相關技術人員與整車研發人員共同探討，協同開發，從鍛造工藝的角度確定產品分模面、加工余量及外形，使其既能保證產品工藝成形，又能實現裝配要求、功能性和使用性。經過調試鍛打，首批合格鍛件已提供，性能檢測無問題，并已經加工出合格產品，進行后續試驗工作。
鍛造工藝分析
根據轉向節產品三維，經過增加加工余量、出模角及叉口防變形等鍛造工藝后，完成了相對易于鍛件成形且不易造成鍛件變形的三維設計。成形后的轉向節鍛件復雜系數S4，該復雜系數的超重鍛件在乘用車轉向節制造中實屬罕見。
經過鍛造成形力學分析，根據鍛件投影面積初步計算所需鍛打力在4500t左右。計算出所需鍛打噸位并根據已有轉向節生產經驗，結合我司現有設備資源，確定了合適的設備，選擇符合其工藝特性的1600t電動螺旋（摩擦壓力機）做預鍛，配合2500t電動螺旋做終鍛。
具體工藝路線為：下料→加熱→鐓粗→預鍛→終鍛→切邊→校正→熱處理→硬度檢驗→表面清理→探傷→終檢。
圖1 轉向節鍛件
工藝技術難點分析及預防措施
⑴完成鍛件設計后考慮其成形工藝，通過截面計算方法找到相對適合坯料分料的角度面，尤其要考慮的是支臂和桿部的分料。支臂長度約160mm，完全延展到鍛件外側，此處成形極其困難，鍛打過程極易出現折疊和充不滿等缺陷。
展開 【Ansys線上直播回看】Ansys Sherlock在汽車電子可靠性分析中的應用
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隨著汽車電子行業發展對產品性能的要求逐步提升，可靠性問題也越來越突出。如何能及早的發現問題、解決問題是研發工程師的重中之重，Ansys Sherlock的推出和逐漸廣泛應用，通過利用其獨特的方法，可以滿足用戶工程化高可靠性產品的要求，進而縮短研發周期，降低企業成本。
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結構強度
一站式短纖維復合材料仿真流程
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Ansys復合材料解決方案
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-Ansys Composite Pre/Post (ACP)用于精確的復合材料建模和評估
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· Workbench內的集成工作流程
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-纖維預緊力
-材料特性：纖維/基體剛度特性、纖維體積分數
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Ansys復合材料解決方案的功能
Ansys ACP與其他工具的交互
疲勞耐久
焊縫網格劃分：熱影響區組集
焊接疲勞分析實例
粘接接頭疲勞分析
連接管理：點焊/粘接
展開 ANSYS SPEOS在汽車尾燈方面的模擬與分析
ANSYS官方將特別推出一系列ANSYS網絡研討會，不僅包含ANSYS 2019 R3 新版本功能介紹，同時也包括最新的行業熱點解決方案，ANSYS將與各位深入探討行業熱點趨勢，諸如無人駕駛、PCB結構可靠性、天線設計、數字孿生等等。
報名本系列課程，聯系微信客服jishulink555，可免費贏取ANSYS官方定制真空保溫杯、小夜燈、餐具套裝、手機支架、話費等精美紀念品！此外，在此系列網絡研討會結束后，ANSYS將官方抽取1名幸運者，TA將獲得華為最新發布的Mate 30 1臺（報名多場幾率疊加）！
本期研討會：《ANSYS SPEOS在汽車尾燈方面的模擬與分析》將于1月22日 20:00-21:00舉辦。
直播主題
ANSYS SPEOS在汽車尾燈方面的模擬與分析
日期/時間
2020年1月22日
20:00 – 21:00
課程受眾
汽車燈具設計領域人士
講師簡介
孫鴻燁，ANSYS OPTIS應用工程師
2014年加入OPTIS至今，負責ANSYS SPEOS光學仿真軟件，為客戶提供整車內飾光學仿真驗證以及汽車外部照明模擬分析等。多次參與汽車，航空人機工效分析項目。
課程簡介
汽車燈具設計是一門結合光學設計、機械設計、熱學設計和電學設計（LED光源的應用）的綜合應用設計學科。
展開 ANSYS官方定制禮免費大放送丨報名ANSYS汽車無人駕駛仿真分析系列直播課
ANSYS自動駕駛系列Webinar，結合自動駕駛系統的研發講述ANSYS工具如何助力自動駕駛的開發驗證，本期重點為ANSYS無人駕駛的功能安全，SOTIF，信息安全分析方法及應用講解。
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或者進行報名：http://event.31huiyi.com/1727638346/index?c=jishulink
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Ansys SPEOS汽車抬頭顯示器（HUD）的設計與分析
HUD光學分析
Ansys SPEOS HUD光學分析是一種自動化功能，用戶只需要輸入PGU、反射器、擋風玻璃或者Combiner屏幕，就可以對汽車抬頭顯示器虛擬圖像的質量進行鑒定?？梢栽趲追昼姸皇菐滋靸?，快速提供一流的HUD反射器形狀設計，并進行設計和性能分析。
該功能方便了相關內部部門（負責HMI電氣、封裝、安裝玻璃和GD&T的部門)之間的溝通，方便了客戶和供應商之間的溝通。為力學和光學提供了統一的數字化樣機經驗，提升了全球層面的協作。
圖7 HUD圖像質量分析
自動化分析易于執行：這種智能嵌入式軟件無需用戶掌握光學專業的知識。它提供了描述系統性能的光學衡量指標，包括圖像失真、圖像清晰度、重像和視差。該分析還能提供直觀的可視化效果，以便更好地理解先進的光學和視覺概念。分析報告可以基于汽車標準，也可以根據特定汽車制造商的光學衡量指標定義和驗收標準定制。
此外，SPEOS HUD光學分析能夠分析具有基于三維NURBS或測量網格表面的幾何定義的HUD的性能。您可以執行抬頭顯示器的逆向工程來評估已經制造出來的擋風玻璃的性能，以提出校正畸變設計變更方案。
可視化HUD外殼材質對投影圖像的影響。通過改變外殼材質，可消除左側圖片上可見的明顯的雜散光，如右圖所示。左右圖對比表明，即使在掠射角下，也能保證極低反射率。
最后，分析功能可以生成彎曲變形數據，以對預失真圖像校正進行反饋。也可以導入彎曲變形信息。在這兩種情況下，通過仿真車輛嵌入式軟件的變形過程來計算光學衡量指標，以反映整個HUD系統的光學性能。
CNC兼容性
SPEOS HUD Design & Analysis與計算機數控(CNC)加工兼容。用戶可以直接將有關SPEOS生成的光學表面的信息導出為多項式系數。
展開 基于ANSYS Workbench的汽車盤式制動器性能分析 ￥15
靜力分析
第一步，摩擦接觸，設定剎車片與圓盤之間為摩擦接觸，摩擦系數0.3，behavior為Asymmetric。具體描述如下圖所示;
再插入命令流，獲取摩擦接觸的單元，生成制動盤上的目標單元組件，命令流：esel,s,type,,tid，其中tid為目標單元類型。
具體其中一組單元類型獲取方法：
Esel,s,type,,tid
Cm,c1_r,elem
具體命令流見圖所示;
下來靜力分析，默認時間步為1，選擇自動時間步，最小10步，最大30步，打開幾何大變形。描述如下圖所示：
打開重啟動，選擇Manual，載荷步和子步均選擇ALL，非線性控制選擇，牛頓-辛普森算法選擇Unsymmetric算法，即非對稱算法。
施加圓盤內部圓的固定約束，fix displacement。剎車片約束X和Y方向位移。
兩個剎車片施加Z即即面壓力，壓力載荷1Mpa。具體載荷約束情況下圖所示：
模態分析結果
將靜力分析結果輸入到模態分析系統，選擇靜力分析的Solution單元，右鍵選擇Transfer Data To New-Modal，模態分析設置默認Pre-Stress，表示從靜力分析的最后載荷步和子步重啟進行擾動分析。求解30階模態，求解方法選擇unsymmetric方法。
具體流程見附件word文檔，模型為2022R2版本，需要解壓。里面網格劃分，求解文件都已清空，需要重新計算。
展開 基于Ansys的汽車氣動噪聲數值仿真分析實例
根據經驗，流場仿真計算所取的計算域到達一定的大小時，汽車的流場就不再受計算域大小的限制。假設汽車模型長為L，寬為W，高為H，則計算域的取法為汽車前部取3L，側面取4W，上部取5H，汽車后部取7L。
為了解決汽車求解域大，網格數目多的難點，按照離車身的距離不同，網格的大小也不同。離車身近的區域網格劃分比較密，使之能夠清楚的表現車身表面附近的細致情況；而遠離車身的區域，網格可以適當的稀疏，以減少網格的數量，節約計算時間。最終網格劃分結果如圖1所示，網格數1369839。
圖1 網格劃分結果
入口邊界：入口邊界為速度邊界。
出口邊界：出口邊界為壓力邊界。
地面邊界：假設汽車行駛的工況，在靜止的空氣中（無風條件下）、平直的路面上等速直線運動。這樣汽車與地面，汽車與空氣的相對速度均為汽車行駛速度。這種工況在計算機上進行模擬，通常用均勻氣流流過汽車模型來模擬行駛的汽車相對于靜止的空氣運動，顯然這導致了附面層問題：運動的氣流在靜止的地面會產生附面層。而實際汽車行駛時，地面附面層是不存在的，只存在車身表面的附面層。為了消除在計算機模擬中的地面附面層的影響，在計算模擬時采用了移動壁面邊界的做法。
縱向對稱面：對稱邊界。
頂面和側面：靜止壁面邊界條件。
計算結果與分析
由于車速超過100km/h，氣動噪聲比較明顯，所以我們選擇車速100km/h和140km/h作對比。
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