钣金类悬置支架应力分析时单元类型及考虑弹塑性对计算结果影响的探讨

吕老师

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钣金类悬置支架在整车上应用非常广泛，由于这是一种弹塑性材料，在进行28工况载荷下的应力计算时除了要考虑典型工况及极限工况时判断标准的差异以外，还要注意单元类型对计算结果的影响。

对于钣金类支架，常规的判断标准是典型工况下，要求其米塞斯应力(Von.Mises)低于材料屈服强度;而极限工况下则要求米塞斯应力(Von.Mises)低于材料抗拉强度80%；同时还要考虑材料的塑性变形的影响。

以下是一个计算案例，该零件的数模见图1。

图1悬置支架数模

该零件28工况载荷表如下图2所示，其中灰色部分为极限工况，其余为典型工况：

图228工况载荷数据

在HYPERMESH中对其进行网格划分，导出INP文件再倒入到ABAQUS软件中进行设置，得到的计算模型见图3，该零件的材料参数见表1。其中两块小加强版用TIE连接。

表1材料参数

图3有限元分析模型

由于ABAQUS中的壳单元的种类有S4/S4R/S3/S8R/STRI65这几种，本文中将对选极限工况10的载荷（fx=-3716,fy=19.49,fz=-552.7），对其设置为S4/S3,S4R/S3以及S8R/STRI65这三种情况下的应力进行计算，看其差异有多大，最后考虑悬置支架的塑性变形情况，导入材料的应力应变曲线重新进行计算，看其计算结果与哪种单元计算所得结果差异最小。

第一种单元S4/S3设置如下图4：

图4S4/S3单元设置

计算结果见图5，可知算得的应力为662MPA，最大应力位置在孔边。显然这个应力已经超过了材料的抗拉强度。

图5S4/S3单元计算结果

第二种单元S4R/S3设置如下图6：

图6S4/S3单元设置

图7S4/S3单元计算结果

计算结果见图7，可知算得的应力为611MPA，最大应力位置还是在孔边。应力比采用S4/S3少了50MPA左右、但这个应力还是大大的超过了材料的抗拉强度。

第三种单元S8R/STRI65设置见图8.

图8S8R/STRI65单元设置

计算结果见图9，可知算得的应力为875MPA，最大应力位置还是在孔边。但这个应力更是大大的超过了材料的抗拉强度，估计支架早就断裂了。

图9S8R/STRI65单元计算结果

比较以上三种单元类型，S4R/S3更为算得的应力最小。在ABAQUS中S4R单元是一种通用的壳单元类型,适应性很好,既可以用于厚壳问题的模拟,也可以用于薄壳问题的模拟。因此得到的结果更符合实际。但三种算法所得应力结果都远超材料的屈服极限，大家肯定认为这个支架的结构设计有问题了，但在实际的路试以及后期的售后并没有出现断裂的情况，那是怎么一回事呢？

这就要涉及到工程应力应变与真实应力应变的知识了，具体内容可以参考成总的这篇文章：在材料设置中输入其真实的应力应变数据（见图10），再按照以上三种方法中应力最小的单元S4R/S3进行计算结果所得应力云图如图11所示。

图10应力——应变参数输入

图11考虑应力应变的计算结果

计算得到的最大应力位置不变，但值小了很多，才279MPa，根据钣金类支架的强度判定标准，极限工况下要求小于材料屈服极限的80%，显然是满足要求的，这或许就是支架在具体的应用中没有出现问题的原因吧！

因此，对于钣金类悬置支架的应力分析，除了考虑壳单元的选择之外，对于极限工况的分析，还要考虑塑性变形的问题。最后给出这个支架28工况载荷下的应力计算结果如表2所示。

表2左悬置支架28工况应力计算结果

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来源：汽车NVH云讲堂