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CATIAV5 软件在汽车零部件强度设计上的应用
造车网 / 2008 年 06 月 05 日
法国达索飞机公司开发的 CAD/CAM 软件。在中国由 IBM 公司代理销售。CATIA
软件以其强大的功能在飞机、汽车、轮船等设计领域享有很高的声誉。全球知名
的汽车公司已经 100%的切换为CATIA 设计,并且国内一汽集团也在 CATIA 上投
入将近一个亿,可见大家对 CATIA 软件的认同,北汽福田汽车公司于 2003 年引
进 CATIAV5,并当年就在其旗下的欧曼重卡体现出明显的效益。CATIA 软件在汽
车设计上的应用越来越广泛,下文以转向助力器支架的设计改进过程为例,简介
使用 CATIA 软件的经验和体会。
一、故障的提出及分析
图 1 转向助力器支架实物图
转向助力器支架如(图 1-1)所示是用于固定转向助力缸的零件,它的强度和质量直接关系到车辆的转向性能,试想高速行驶
的载重量超过20 吨的重型卡车失去方向控制能力,后果将不堪设想。当样车生产出来后调试人员发现在空载条件下助力器支
架随助力缸运动而扭动,如果加上载荷则有被撕裂的趋势。
二、过去的传统做法
如果按传统的设计方法,一般会对问题件进行加强,比如加厚板厚、加重、提高材料的性能等。可是加在哪?加多少?则
存在较大的盲目性。如果通过计算方法分析则需要对问题件进行受力分析,但对于这种外形复杂的零件传统力学的分析方法只
能提供一个大致近似的结果,不能提供一个准确的答案。并且这种力学分析需要设计人员有较高的理论力学和材料力学的基础,
充裕的分析时间和丰富的设计经验,而后者则是大多数刚接触工作的设计人员所不具备的。目前阶段国内也只有专门的研究机
构能够采用计算的方法,工厂一般很难开展。
三、引入 CATIA
现在引入 CATIA 来进行辅助设计,就可以模拟该件工作时的极限受力状态找到应力集中点及最大位移点,以便改善它的受力
情况。
具体步骤见下流程图:
如图 1-2 我们分析得到的应力最大点如图(A 点)和实物相符,位移最大点也与我们当初的预期相吻合。
图2 转向助力器支架极限受力时的应力分析图
表 1 应力梯度表
图3 转向助力器支架极限受力变形图
表 2 变形量梯度表
如图 1-2 我们分析得到的应力最大点如图(A 点)和实物相符,位移最大点也与我们当初的预期相吻合。材料为 235 MPa 而
最大应力集中点达到 559MPa,差值达 324MPa 。为此首先把壁厚增加到8mm (图4/B 设计)最大应力从 559MPa 下降到
393MPa 下降了 29%重量上升了 5.6 %,应力下降不太理想;然后在应力最大点处又添加了一条斜筋(图4/C 设计),再次进
行 GPS 分析,应力和变形量最大值下降了 59%但自重提高了 44 %。然后又尝试在其他的地方填加加强筋,分析后发现收效
甚微。最后将整个零部件填实,发现受力情况反而因为自重增加而更加恶劣。看来单纯的对零件加强是很难解决问题的,
需要对零件的结构进行调整。最后借鉴并采用了另一种结构(图 4/D 设计),这种结构受力性更好具体见(图 5 及图 6 )。
图4 新设计的转向助力器支架
对(D)设计方案进行的GPS 分析,结果如下:
图5 新状态转向助力器支架极限受力应力分析图
表 3 应力梯度表
图6 新状态转向助力器支架极限受力变形图
表 4 变形量梯度表
四、成本分析
表 5 成本分析表
基本满足设计要求,对比上表新状态和原始状态重量和成本及投产工期上都有很大的增加,但为了达到设计强度的要求,着眼
于降低市场故障率,减少三包费用等因素,并且维护客户心目中的欧曼品牌形象。具有长远的效益,但为了继续提高零件可靠
性,将零件材料 Q235-A 调整为优质碳素钢将材料的强度极限从 235 MPa 提高到 315 MPa 使零件在极限受力时的安全系数
从 1.398
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