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1 概述
现代汽车通过采用各种措施不断追求更高的经济指标和动力指标及舒适性指标，相应会导致车架的机械负荷不断增加，形状越来越复杂。因此，对车架强度及刚度的计算，不可能得到精确的解析解。通过传统的简化方法，将导致不精确甚至是错误的解。为获得满足工程要求的数值解，必须运用现代数值模拟技术。数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。汽车前轴是车桥上重要部件之一，是连接车身与车轮的重要部件，它承受悬架传来的垂直载荷，同时又承受车轮传来的制动力及侧滑扭矩，因此对其强度，抗冲击性，疲劳强度及可靠性方面都有很高的要求，对汽车前轴进行强度分析十分重要。
2 前轴的受力分析
根据汽车设计手册，对前轴的受力按照3种危险工况进行分析计算，即:紧急制动工况，侧滑工况和超越不平路面工况。由参考文献可知，前轴的基本受力情况有3种:车轮受垂直力，车轮受侧向力和车轮受纵向力。根据车辆行驶过程中受力分析可得;紧急制动工况为垂直力和纵向力共同作用的组合工况;侧滑工况为垂直力和侧向力的组合工况;越过不平路面工况即为垂直力单独作用的工况。
3 建立模型
3.1 ANSYS简介
ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于汽车交通、机械制造、电子、土木工程、航空航天等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，如PC机、工作站和巨型计算机等。ANSYS物理场藕荷的功能，允许在同一模型上进行各种藕合计算，如:热一结构藕合、磁一结构祸合及电-磁一流体一热祸合，就确保ANSYS能对多领域多变工程问题进行求解。充分利用ANSYS软件的强大功能，分别在微机和SUN工作站上对车架进行模拟计算，得到较好的结果。
3.2计算模型的建立
由于前桥的基本结构比较复杂，考虑到分析时的可行性在实际建模时进行适当简化，去除一些对结果影响不大的倒角和凸台。采用UG软件进行建立三维模型，如图1所示。
建立模型后将模型通过接口程序导人ANSYS软件中，考虑到本桥结构的实体特征，故采用Solid模型与四面体单元对实体进行网格划分17523个单元，31840个节点，建立的有限元模型如图2所示。
前轴材料为12Mn2VB，其弹性模量E=210GP，泊松比Y=0.31,屈服极限。σs=480MPa，强度极限σb=686MPa，由于该材料为塑性材料，故应以屈服极限作为极限应力。根据前桥的实际行驶工况进行约束和载荷施加，对前轴的两端主销端孔进行全约束，跨越障碍物时垂向载荷以压强形式施加在板簧座处，制动和侧滑工况垂向载荷施加在板簧座上表面，侧向和纵向载荷施加于悬架安装孔内表面。
4 仿真分析
笔者所研究的车型参数如表1所示，根据以上分析对模型进行加载，垂直载荷加在悬架安装面上，纵向载荷施和侧向载荷加在车桥上悬架安装螺栓孔内表面上.
(1)越过不平路面时的载荷为最大垂直动载荷:
式中:K为动载荷系数，G1为前轮静载荷以面力施加于板簧座上表面上此时分析结果如图3,4所示。
(2)制动时的载荷为板簧面所承受的垂直力与纵向制动力的组合此时:
式中:G1为满载静止时前轴的垂直载荷，m"1为制动时质量转移系数，此例可取1.7。
该工况下的垂向载荷以均布施加于板簧座上，制动力以均布施加与板簧的安装螺栓孔内表面上，此工况下的应力应变结果如图5,6所示。
(3)侧滑工况时的载荷为侧向力与垂向力的组合:侧向反力:
式中:下标L和R分别为左侧和右侧车轮;hg为满载时质心高度，r"r为板簧座上表面的离地高度，Φ1为侧滑系数，B为汽车轮距，H为满载时重心高度，S为两板簧座中心的距离。此工况下得到的应力应变结果如图7 ,8所示.
5 结论
通过分析结果可知，制动工况下应力和变形均最大，最大应力为361 MPa，分布如图5所示。最大变形为3.2mm，位置分布如图6所示，此种工况出现最大应力和变形的原因是:在该工况下制动力垂直于轴向，产生剪应力，导致组合应力和变形增大，在该工况下，该车桥最大应力接近流动极限，但仍远小于强度极限，强度安全系数ns=1.9。此时，根据参考文献虽然车桥不至于断裂，但安全系数偏小，要求生产过程中，从原材料到制造工艺，都要严格控制质量。在使用过程中，要避免超载，且用户应避免驾车在恶劣路面上高速行驶。在其它两种工况下应力均不超过200MPa，变形不超过lmm。
笔者利用ANSYS对汽车前轴进行强度有限元计算，并对结果进行分析。通过分析可知，有限元法可以较全面的对汽车结构进行分析，能显著减少设计与制造费用，增加对所设计产品的信心，减少昂贵的样机费用。
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