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基于屈曲理论的某车型转向拉杆的仿真分析与结构预测

王旭,韩超,武小一

一汽研发总院CAE研究所长春130000

摘要:转向拉杆是汽车转向机构中的重要零件，它直接影响汽车运行的安全性、操纵的稳定性和

使用的可靠性。本文基于屈曲理论，运用Abaqus得到某车型转向拉杆的屈曲临界载荷，与试验

值契合；进而以此模型为准，预测在需要降低屈曲临界载荷的情况下，该转向拉杆内拉杆最细部

分的所需设计的截面尺寸，并与试验结果吻合。

关键词:转向拉杆，屈曲分析，非线性屈曲，仿真分析，结构预测

1.简介

1.1转向拉杆

转向拉杆是汽车转向机构中的重要零件，它直接影响汽车操纵的稳定性、运行的安全性和轮

胎的使用寿命。汽车转向拉杆主要由：球接头总成、螺母、拉杆合件、伸缩胶套、自紧弹簧等组

成，如图1所示。在汽车转向过程中，转向拉杆需要承受轴向压力，极易出现失稳现象，所以在

设计汽车转向拉杆时除了需要考虑刚度、强度外，必要考虑其稳定性问题。

图1.转向拉杆结构示意图

1.2压杆失稳

当作用在杆件上的轴向压力达到或超过一定限度时，杆件会突然弯曲而破坏，即产生失稳现

象。杆件失稳后将丧失继续承受原设计载荷的能力，进而常造成严重的后果。压杆结构失稳的原

因主要由于当具有一定刚度杆件结构过度承载时，其结构内部出现负刚度，使其承载能力下降；

当负刚度等于构本身的刚度时，杆件就是去了承载能力，整个系统出现失稳现象。

1.3屈曲分析

屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，主要包

括：线性屈曲和非线性屈曲分析。

线性屈曲分析又称特征值屈曲分析。这种分析通过提取使线性系统刚度矩阵奇异的特征值来

获得结构的临界失稳载荷及失稳模态。对于受载结构，随着压力增加，结构抵抗横向变形力的能

力下降，当载荷到某一水平，结构总体刚度变为零，丧失稳定性。线性屈曲分析研究失稳发生临

界载荷和失稳形态。基于结构失稳前系统刚度矩阵会出现奇异，可将屈曲问题转化为特征值问题

处理。

相对于非线性屈曲分析，线性屈曲分析计算省时，但得到的结果通常是不保守的。这主要是

由于结构缺陷和非线性行为造成的，因此得到的结果往往与实际结构不一致。

非线性屈曲分析包括几何非线性失稳分析，弹塑性失稳分析（材料非线性失稳分析），非

线性后屈曲(Snap-through)分析（包含几何非线性和材料非线性）。其基本方法是，逐步施加一

个恒定的足够小的载荷增量，直到解开始发散为止。为了有助于计算，在模型上需要施加一个初

始缺陷（扰动），由特征值屈曲分析得到的特征矢量屈曲形状可以作为施加初始缺陷或者扰动载

荷的根据。通常分为两步：首先进行特征值线性屈曲分析，获得失稳载荷及相应失稳模态下每个

节点上的模态位移，然后将节点模态位移作为一种上述几何缺陷的等效替代引入非线性屈曲模

型。

弧长法（Riks）是目前结构非线性分析中数值计算较稳定，计算效率较高且可靠的迭代控制

方法之一，能够有效分析前、后屈曲及屈曲路径跟踪。弧长法属于双重目标控制方法，即在求解

过程中同时控制载荷因子和位移增量的步长。在具体执行时，采用与线性屈曲分析基本相同的模

型，在模型中定义材料非线性，并打开及和非线性设置，用弧长量代替时间量，输入初始、最小、

最大弧长增量，最终获得经历零或负刚度性的为结构解，即得到结构不稳定前载荷的最大值，在

位移-载荷比例系数（LPF）曲线图上，曲线拐点即为非线性屈曲的临界载荷。

2.转向拉杆结构屈曲分析

2.1模型建立

某车型转向拉杆的几何模如图2所示：

外拉杆螺母内拉杆

图2.转向拉杆几何模型

其中，外拉杆材料为45钢，内拉杆材料为Cr40，两种材料的特性曲线如图3所示：

图3.转向拉杆屈曲计算所用材料

在Abaqus中建立转向拉杆屈曲计算有限元分析的模型图如图4所示，其中两侧硬点采用图

中所示的约束，在外拉杆侧硬点施加转向拉杆屈曲压力。

约束1、2