基于ANSYS 的房车主锁主要传动部件的静力学分析

孙伟一，胡靖明，李沫若，杨金发，张强林，向金田，王壤

（1.730070 甘肃省 兰州市 甘肃农业大学 机电工程学院；2.315000 浙江省 宁波市 宁波望通锁业有限公司）

0 引言

房车旅行（Recreational Vehicle Travel）具有自由、灵活、方便等特征，在中国现代性的背景下，房车旅行将会越来越被人所接受，给人们创造了在“家”看世界的新方式[1]。由于房车在行驶过程中可能会受到路面的颠簸或者发生交通事故，导致车门的打开或者门锁的变形，影响车内人员的安全。因此，在GB 11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》[2]中要求汽车在发生撞击的过程中车门不得突然打开，在《中国新车评价规程》[3]中也规定，如果在对汽车车门的撞击中出现车门打开的现象将被扣分。对房车主锁的静力学分析有助于结构和强度的检验和改进，因此具有十分重要的意义。

本文以某房车门锁零部件为主要研究对象，利用SolidWorks 软件建立了房车门锁的3D 模型，导入到ANSYS 软件中，根据实际情况中车锁的受力方向，在受力点对房车车锁添加了10g 的惯性载荷，并进行了静力学分析，得到了保险水平销、锁芯连接块、锁舌插销、锁舌齿条以及主锁锁芯连接块的应力、应变云图，对房车主锁的主要零部件结构设计合理性与强度进行分析。

1 ANSYS 的前处理

1.1 ANSYS 有限元平台的工作流程

有限元法（Finite Element Method）是一种对数值进行近似计算的方法[4]。ANSYS 是一款功能强大的有限元分析与仿真软件，基于ANSYS 的机械结构强度分析已成为工业生产领域不可或缺的方法[5]。基于ANSYS 的静力学结构分析的工作流程主要包括前处理、静力或动力学的求解和后处理3 个流程。前处理流程主要包含对零件材料属性的定义、有限元模型的构建、进行网格划分等。通常，相对简单的ANSYS 模型可以直接在APDL 界面建模，相对复杂的模型可以利用三维建模软件CREO 或者SolidWorks 等建模，并将模型导入HyperMesh 中进行网格划分[6]；求解是根据用户提供的有限元分析场景的边界条件以及载荷条件，定义ANSYS 的受力等数据；后处理是经求解过程后，ANSYS 把后台计算结果反映到的应力、应变云图上供用户使用。

1.2 静力学模型的建立

SolidWorks 能够将尺寸和位置关联起来，从而控制平行度、相切度、垂直度和同心度，在设计对象之前为用户提供更好的尺寸预览[7]。将在SolidWorks 中建立的房车主锁3D 模型导入到ANSYS Workbench 中，导入模型如图1 所示。当钥匙处于拔下状态，设锁舌插销移动，必将通过最下层3 个齿轮带动锁舌插销连接块转动，并使内拨动开关移动，锁芯连接块与中心四边形轴连接，带动锁芯连接块转动，锁芯连接块带动外把手向外弹开，在整个过程中，内拨动开关属于驱动力，锁芯中的方轴通过克服2 个连接块驱动外把手与锁舌插销的扭矩才能转动。

图1 主锁模型Fig.1 Main lock model

1.3 材料属性定义

在对房车主锁主要零部件进行有限元分析之前，首先定义零件的材料属性，如表1 所示。

表1 零部件材料参数Tab.1 Material parameters of parts

1.4 网格划分

ANSYS Workbench 软件为用户提供了网格映射划分和自适应划分、尺寸控制划分、扫掠划分等多种网格划分的方法[8]。为了保证计算效率，提高计算精度，本次采用自适应划分的方法对保险水平销、锁芯链接块以及锁舌插销进行网格划分。保险水平销共生成节点18 387 个，生成单元10 195 个，划分结果如图2 所示；主锁锁芯连接块共生成节点18 295 个，生成单元10 476 个，划分结果如图3 所示。锁舌插销共生成节点40 342 个，生成单元22 208 个，划分结果如图4 所示。锁舌齿条共生成节点13 262 个，生成单元7 271 个，划分结果如图5 所示。主锁锁芯连接块共生成节点66 608，生成单元38 357 个，划分结果如图6 所示.

图2 保险水平销Fig.2 Safety horizontal pin

图3 锁芯连接块Fig.3 Lock cylinder connecting block

图4 锁舌插销Fig.4 Latch bolt

图5 锁舌齿条Fig.5 Latch rack

图6 主锁锁芯连接块Fig.6 Main lock cylinder connecting block

2 主要零部件的静力学分析

2.1 保险水平销静力学分析

在对该零件分析的过程中，对零件添加竖直向上的10g 惯性载荷，零件经ANSYS 后处理求解后得到的保险水平销变形图以及应力分布云图如图7、图8 所示，应力及应变如表2 所示，各方向剪切力如表3 所示。

图7 总变形量云图Fig.7 Cloud chart of total deformation

图8 等效应力云图Fig.8 Cloud chart of equivalent force

结果显示最大总变形量位置在图7 所示的水平销前端处，由表2 知其大小为7.739 9e-5 mm；最大等效应力位置在图8 所示的水平销根部，由表2 可知其大小为1.385 9 MPa；最大等效塑性应变为7.242 1e-10，最大应变量为1.194 4e-15。选择Force Reaction 单元作为输出结果，在锁舌插销左侧受最大剪切力，读表3 可知力的大小为X 方向5.859 7 N，Y 方向-1.109 7e-9 N，Z 方向2.125 8 N，方向与三维建模的坐标一致，2 个方向的合力即为剪切力，大小为6.233 4 N。取保险水平销的材料安全系数为1.8，根据公式[σ]=σs/n 求出许用应力为325.6 MPa，有限元求出最大等效应力为1.385 9 MPa，远小于材料的许用应力。总变形量和等效应变不足以致使零件失效，因此保险水平销在竖直向上的10g 的惯性载荷下，结构安全可靠，没有产生明显形变，满足零件的强度要求。

表2 保险水平销的应力、应变Tab.2 Stress and strain of safety horizontal pin

表3 保险水平销的剪切力Tab.3 Shear force of safety horizontal pin

2.2 锁芯连接块的静力学分析

在该零件分析的过程中，对零件添加竖直向上的10g 惯性载荷，零件经ANSYS 后处理求解后得到的锁芯连接块变形图以及应力分布云图如图9、图10 所示，应力及应变大小如表4 所示，各方向剪切力大小如表5 所示。

表5 锁芯连接块的剪切力Tab.5 Shear force of lock cylinder connecting block

图9 总变形量云图Fig.9 Cloud chart of total deformation

图10 等效应力云图Fig.10 Cloud diagram of equivalent stress

结果显示最大总变形量位于图9 所示零件连接销顶部，由表4 知其大小为1.827 2e-4 mm；最大等效应力位置在图10 所示零件的连接销根部，读表4 可知其大小为3.223 5 MPa；最大等效塑性应变为1.384 1e-11，最大应变量为6.930 3e-18。

表4 锁芯连接块的应力、应变Tab.4 Stress and strain of lock cylinder connecting block

选择Force Reaction 单元作为输出结果，在锁舌插销左侧受最大剪切力，由表5 知力的大小为X方向0.274 48 N，Y 方向-6.317 9 N，Z 方向0.180 83 N，方向与三维建模的坐标一致，2 个方向的合力即为剪切力，为6.326 4 N。取锁芯连接件的材料安全系数为2.0，由公式[σ]=σs/n 得许用应力为110.5 MPa，有限元求出最大等效应力为3.223 5 MPa，远小于材料的许用应力。总变形量和等效应变不足以致使零件失效，因此锁芯连接块在竖直向上的10g 的惯性载荷下，结构安全可靠，产生微小变形，满足零件的强度要求。

2.3 锁舌插销的静力学分析

锁舌插销是外部门把手在使用钥匙为锁止的状态下，保证门锁自锁的重要零部件。在对该零件分析的过程中，对零件添加竖直向上的10g 惯性载荷，零件经ANSYS 后处理求解后得到的锁舌插销变形图以及应力分布云图如图11、图12 所示，应力及应变大小如表6 所示，各方向剪切力如表7 所示。结果显示产生最大总变形量位于图11 所示右上端拐角处，由表6 知其大小为1.266 5e-6 mm；最大等效应力的位置在图12 所示箭头所指处，读表6 可知其大小为0.174 69 MPa，最大等效塑性应变为5.042 3e-10，最大应变量为7.388 4e-18。选择Force Reaction 单元作为输出结果，在锁舌插销左侧受最大剪切力，读表7 可知力的大小为X 方向7 N，Y 方向9.595 3e-10 N，Z 方向1.509 3 N，方向与三维建模的坐标一致，2 个方向的合力即为剪切力，为7.160 9 N。取锁舌插销材料安全系数为1.8，由公式[σ]=σs/n 求出许用应力为325.6 MPa，有限元求出最大等效应力为0.174 69 MPa，远小于材料的许用应力。总变形量和等效应变不足以致使零件失效，因此锁舌插销在竖直向上的10g 的惯性载荷下，结构安全可靠，没有产生明显变形，满足零件的强度要求。

图11 总变形量云图Fig.11 Cloud chart of total deformation

图12 等效应力云图Fig.12 Cloud diagram of equivalent stress

表6 锁舌插销的应力、应变Tab.6 Stress and strain of latch bolt

表7 锁舌插销的剪切力Tab.7 Shear force of latch pin

2.4 锁舌齿条的静力学分析

在对该零件分析的过程中，对零件添加竖直向上的10g 惯性载荷，零件经ANSYS 后处理求解后得到的锁舌齿条变形图以及应力分布云图如图13、图14 所示，应力及应变如表8 所示，各方向剪切力如表9 所示。结果显示产生最大总变形量的位置在图13 所示的两端处，读表8 可知其大小为3.612 8e-4 mm；产生最大等效应力的位置在图14所示的箭头处，读表8 可知其大小为1.679 4 MPa，最大等效塑性应变为2.222 7e-10，最大应变量为1.639 1e-13。选择Force Reaction 单元作为输出结果，在锁舌齿条左侧受最大剪切力，读表9 可知力的大小为X 方向5.38 N，Y 方向-6.023 1e-10 N，Z 方向为0.765 21 N，方向与三维建模的坐标一致，两个方向的合力即为剪切力，为5.434 1 N。

图13 总变形量云图Fig.13 Cloud chart of total deformation

图14 等效应力云图Fig.14 Cloud diagram of equivalent stress

表8 锁舌齿条的应力、应变Tab.8 Stress and strain of latch rack

表9 锁舌齿条的剪切力Tab.9 Shear force of latch rack

取锁舌齿条的材料安全系数为1.8，根据公式[σ]=σs/n 求出许用应力为325.6 MPa，有限元求出最大等效应力为1.679 4 MPa，远小于材料的许用应力。总变形量和等效应变不足以致使零件失效，因此锁舌齿条在竖直向上的10g 的惯性载荷下，结构安全可靠，没有产生明显形变，满足零件的强度要求。

2.5 主锁锁芯连接块的静力学分析

在对该零件分析的过程中，对零件添加竖直向上的10g 惯性载荷，零件经ANSYS 后处理求解后得到的主锁锁芯变形图以及应力分布云图如图15、图16 所示，应力及应变如表10 所示，各方向剪切力如表11 所示。

图15 总变形量云图Fig.15 Cloud chart of total deformation

图16 等效应力云图Fig.16 Cloud diagram of equivalent stress

分析结果显示产生最大总变形量的位置在图15 所示零件的连接销处，读表10 可知其大小为6.362 1e-4 mm；产生最大等效应力的位置在图16所示箭头处，读表10 可知其大小为5.514 2 MPa，最大等效塑性应变为1.129 3e-9，最大应变量为6.277 3e-18。选择Force Reaction 单元作为输出结果，在锁舌插销左侧受最大剪切力，读表11 可知力的大小为X 方向0.798 12 N，Y 方向2.503 6e-9 N，Z 方向为5.216 4e-10 N，方向与三维建模的坐标一致，2 个方向的合力即为剪切力，为0.798 12 N。取主锁锁芯连接件材料安全系数为2.0，由[σ]=σs/n求出许用应力为110.5 MPa，有限元求出最大等效应力为5.514 2 MPa，远小于材料的许用应力。总变形量和等效应变不足以致使零件失效，因此主锁锁芯连接块在竖直向上的10g 的惯性载荷下结构发生变形，但仍满足零件的强度要求。

表10 主锁锁芯连接块的应力、应变Tab.10 Stress and strain of lock cylinder connecting block

表11 主锁锁芯连接块的剪切力Tab.11 Shear force of main lock cylinder connecting block

3 结语

本文通过有限元法，借助ANSYS Workbench以及SolidWorks 软件，对房车主锁的主要零部件进行静力学分析，得到了其应力、应变的分析情况。分析结果显示，房车主锁的主要零部件结构设计合理，强度满足标准要求，总变形量和等效应变不足以致使零件失效，没有出现较大的变形及应力集中的情况，安全性和可靠性较高，能够满足房车在日常行驶中的安全要求。

此研究方法也可以用于房车主锁主要零部件的优化和改进，为相似零件的结构设计以及分析提供参考，从而为下一步房车主锁的强度分析提供可靠的基础。