基于Ansys Workbench的连续障碍圆饼的有限元分析

　　1 引 言

　　根据公安部新修订的并于 2007 年 4 月 1 日起实行的《机动车驾驶证申领和使用规定》即公安部 91 号令，第 25条第 2 款对“科目二”考试的项目包括：桩考、坡道定点停车和起步、通过连续障碍等共计 10 个考试项目。连续障碍圆饼是其中的一个考试科目。连续障碍圆饼场地布局图如图 1。进行该项考核的路宽要求为 7m，圆饼直径为 0.7m。共设置 6 块圆饼，要求小型车用一档车速，行驶于圆饼之上通过，车轮轨迹不得碰、擦、轧圆饼，并且不得超、轧两侧路边缘线。一饼和六饼(A、F 饼)设置在中心线两头，中间四个(B、C、D、E)圆饼的中心点偏离路中心线 1m;圆饼的结构要求如图 2 所示^[1]。

　　在机动车考试的过程中，机动车用低速档位控制车速、匀速前进依次骑越 6 个圆饼，一旦车轮碰到圆饼，传感器将会将信号传出，考试就会终止，考试未通过。在汽车碰撞圆饼结构件时，一种可能是车轮从圆饼结构件上过，使圆饼上盖受到 正压力，造成了支撑上盖的弹簧产生压缩变形;另外一种可能是车轮在与圆饼结构件接触的时候，对圆饼件侧面的挤压，造成了支撑上盖的弹簧产生剪切变形。当变 形过大时，会造成弹簧的疲劳破坏，从而导致圆饼装置的破坏。如图 3 所示的破坏情况，因此本文针对实际应用过程中弹簧受到侧面挤压的受力状况，利用 ANSYS Workbench 进行应力分析。

　　2 圆饼三维模型的建立

在 Pro/E 中建立圆饼结构件的零件模型，参见图 4。圆饼结构件的组成主要有圆饼底座以及弹簧下连接件、弹簧、上连接件以及圆饼上盖板并在 Pro/E 中进行装配。采用 Pro/E 三维建模软件建立圆饼的实体模型，通过 ANSYS Workbench 和 Pro/E 之间的图形标准接口导入到 ANSYS Workbench。

　　3 圆饼装配体有限元分析

　　将 Pro/E 建立的圆饼的装配结构实体模型通过 Pro/E与 ANSYS 的专用接口导入到 ANSYS Workbench 的软件模块中。如图 5 所示。圆饼的底座和圆饼的上盖板的材料都是球墨铸铁，上连接件和下连接件以及螺栓都是 45 钢，中间支撑的 弹 簧 材 料 为60Si2Mn 弹 簧 钢 。

材料的性能指标见表 1。

　　3.1 有限元分析的前处理

　　(1)网格划分

　　由于网格划分是有限元前处理中的主要工作，也是整个有限元分析的关键工作，网格划分的质量和优劣将对计算结果产生相当大的影响，在保证分析精度的情况下，网格划分越稀疏越好，避免网格过密，造成计算时间过长^[4]。由于圆饼结构件的各个零件尺寸大小差别比较大，所以采用自动网格划分。如图 6、7，共划分了103503 个节点和 46267 个单元。