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汽车转向系统的模态性能怎么样？建模仿真分析一目了然

仿真圈

5月前浏览5668

导读：大家好，我是仿真秀才，仿真秀专栏作者，从事结构耐久仿真分析13年，有二十多款自主品牌及合资车开发经验，具备整车、开闭件、白车身、底盘、内外饰方面的强度刚度疲劳损伤分析。

本文是我向仿真秀APP公众号投稿的第3篇文章，很荣幸能够被采用，且发布在这里发表。希望和读者朋友一起交流技术和学习心得，以下是我撰稿的文章，欢迎读者朋友查看。

[1] Abaqus乘用车机舱盖SLAM分析建模step by step

[2] 整车碰撞仿真：白车身接头刚度的分析方法和流程讲解

一、写在文前

本文讲述了转向系统有限元建模的主要方法及主要连接方式、载荷、约束以及相应分析流程。主要考察转向系统的模态性能，即：是否能够避开发动机怠速二阶激励频率。

二、转向系统模态分析流程图

在转向系统频响分析中，主要分为前处理、求解计算、后处理以及撰写报告几个分析阶段，在计算结果不满足目标值的情况下，需要对原始结构进行合理的优化，提出改进意见。分析流程基本按照以下的流程图进行：

图1 分析流程图

三、转向系统模态分析软件

在我的工作经验中，转向系统模态分析常用的软件包括：

前处理Pre processors : HyperMesh
求解器Solver : nastran
后处理Post Processors: HyperView

其他小伙伴，如果有其软件，欢迎文章下方留言告诉我尝试一下。

四、建模要求

转向系统模态分析模型构成：转向系统+半截白车身

1、建立转向系统模型

转向系统模态分析中，建模时满足以下要求：

建模时，网格一律调整到部件厚度中面上；
零件要进行法向检查(Normal)，法向要一致；
零件要进行自由边检查(edge)，模型中不能有自由边；
安全气囊、点火锁和转向电机用质量点代替，保证质心位置和质量信息的正确性。

图2 集中质量点卡片格式

集中质量点仅需要质量和质心位置信息。

转向系统中运动关系副主要有：花键、十字轴万向节和轴承。下面描述其建模过程。

（1）花键连接建模

图3 花键连接示意图

在图示坐标系下，花键位置如图。花键的作用是允许两个件相对滑动，即沿X方向的滑动自由度是放开的。

在A部件的花键连接区域，建立RBE2单元，主节点选在花键连接的中间位置。假设节点号为：100

在B部件的花键连接区域，建立RBE2单元，主节点和A部件的RBE2单元主节点位置一致但不融合。假设节点号为101。

将两个RBE2的主节点，放在局部坐标系下。在1D-system下：

图4 节点赋予局部坐标系界面

点击nodes，选择两个主节点，激活下方的system，选择建立的局部坐标系，点击set reference 和 set displacement。这样两个节点被附在局部坐标系下。

建立RBE2单元

以节点100（或101）为主节点，101（或100）为从节点建立RBE2单元。因两节点位置重复不易选择，可以：点击快捷键O，点击graphics,选中coincident picking

图5 建立RBE2单元示意图

建立RBE2单元是注意，dof1不框选。

(2)十字轴万向节建模

建立MPC的load collector 卡片

图6 loadcollector 卡片示意图

名字任意，选择no card image。

十字轴本体可用CBAR单元来表示。

图7 十字轴万向节本体

在1D-HyperBeam下，点击standard section 在standard section type下选择 solidcircle

图8 bar单元属性卡

输入十字轴截面的直径。这样bar单元的截面属性就建立了。

建立bar单元的属性卡

Card image 选择PBAR，beamsection选择上面建立的bar单元界面属性

建立MPC连接

图9 十字轴万向节示意图

建立局部坐标系，X轴与十字轴的一中心轴平行，Y轴与十字轴的另一中心轴平行。

十字轴端点四个节点和RBE2的四个节点位置重合，将上图圆圈中的节点赋在局部坐标系下，方法如上所示。

在Analysis 下点击equations 。在bar单元末端点和rbe2单元的主节点建立五个约束方程。放开其中的一个转动自由度使其能够旋转。

图10 约束方程的建立

注意：主节点的自由度选择哪个，从节点的自由度就要对应勾选。主节点w=1,从节点也要写w=1，且load types=MPC。主从节点的选择没有限制。

（3）轴承连接的建模

建模思路和方法同花键连接建模。唯一区别是：考虑轴承质量，用集中质量点代替。

（4）仪表台的处理

仪表台+显示仪表盘+DVD最好能够提供整体的质量和质心信息。将这些件用集中质量点代替。

图11 转向系统示意图

（5）转向系统模型截断

转向系统模型一般截断到转向电机上第一个十字轴万向节位置，或者是方向盘下方第一个十字轴万向节处。

2、半截白车身的建模

半截白车身可以从白车身模型中截取，具体尺寸没有明确要求，一般取顶棚第一横梁后方和前排座椅前横梁后方。

图12半截白车身示意图

3、装配半截白车身和转向系统

将转向系统和白车身的连接位置用RBE2进行连接。

图13 转向系统整体分析模型

4、单位系统

根据分析模型以及计算要求，转向系统模态分析中运用的单位：mm，Ton，Sec，Hz

5、网格单元要求

为了保证计算结果的精度，网格单元需要满足一下要求：

表2-网格单元质量要求

五、约束及边界条件

约束白车身的截断位置的三个平动自由度；对于取到第二万向节的情况，约束转向管柱下端三个平动自由度；对于取到第一万向节的情况，转向系统末端为自由。

图14 约束条件

六、载荷条件

模态分析

七、分析结果的性能目标要求

根据分析要求，转向系统模态性能要满足以下要求：

避开发动机二阶怠速激振频率，建议目标值大于等于35Hz。

八、分析要求

1、转向系统模态分析设置

1）定义模态提取步，提取前10阶频率

图15 模态提前卡片

2) 设定分析步，点开loadstep 。

图16 分析步的建立

Type选择 normalmodal ; SPC选择定义的spc卡片；MPC选择之前定义的MPC卡片；METHOD(STRUCTURE)

选择之前定义的模态提取步卡片。

3） controlcards的设置。

图17 controlcards需要定义的关键字

上面这幅图，显示了control cards里面需要定义的卡片

SOL卡片的定义

图18 sol卡片的定义

在Analysis 的下拉菜单中选择Normal Modes

PARAM卡片的定义

图19 PARAM卡片的定义

在下拉菜单中选择AUTOSPC和POST

GLOBAL_CASE_CONTROL卡片的定义

图20 GLOBAL_CASE_CONTROL卡片定义

定义输出，点击OUTPUT，选择Displacement，保持DISPopts选项为ALL

九、分析结果

在计算结束之后，查看计算结果，确定分析是否合理。

图21 分析结果

好了，由于篇幅的原因，今天就写到这里，欢迎下方留言与我互动。在这里给读者朋友推荐《一套新手自学整车碰撞仿真分析的奥秘》。该课程可解决学员在整车碰撞仿真分析建模过程中所遇到的难点问题和痛点，能够具备独立建立整车碰撞模型的能力。其中第八讲-整车碰撞模型建模7-转向系统模型处理方法及难点就和我今天分享的内容直接相关。欢迎朋友试看：

《一套新手自学整车碰撞仿真分析的奥秘》

（完）

来源：仿真秀App

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首次发布时间：2024-06-28