驅(qū)動(dòng)橋殼虛擬臺架仿真及輕量化優(yōu)化

梁 誠，袁 劍，邾枝潤

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 淮南 232001；2.安徽安凱福田曙光車橋有限公司，安徽 合肥 230051)

驅(qū)動(dòng)橋殼是車輛的重要部件，是汽車上承受載荷和傳力的主要構(gòu)件.它不僅可以支撐和保護(hù)主減速器、差速器和半軸，還可以控制左右驅(qū)動(dòng)車輪的軸向相對固定位置，還能與汽車的從動(dòng)橋一起支撐整個(gè)車架和車架上的各總成質(zhì)量[1-2].文獻(xiàn)[3]利用Solidworks軟件建立橋殼3D模型，協(xié)同ANSYS Workbench仿真軟件，模擬驅(qū)動(dòng)橋殼臺架試驗(yàn)在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)工況下進(jìn)行有限元分析，證明 3種厚度的橋殼都具有足夠的靜強(qiáng)度和剛度,疲勞壽命均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)；文獻(xiàn)[4]根據(jù)減薄后橋殼在臺架試驗(yàn)時(shí)發(fā)生斷裂失效的情況,建立了橋殼的有限元模型,并進(jìn)行靜力學(xué)分析和疲勞分析,得出橋殼應(yīng)力集中點(diǎn)和橋殼實(shí)際斷裂位置一致的結(jié)論；文獻(xiàn)[5]采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法，對某重型車橋殼在設(shè)計(jì)工況下的靜強(qiáng)度性能進(jìn)行有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的情況下減輕了橋殼的質(zhì)量；文獻(xiàn)[6]對橋殼過渡圓角半徑進(jìn)行優(yōu)化，提高橋殼疲勞壽命的同時(shí)，還保證了橋殼的靜強(qiáng)度、剛度符合國家標(biāo)準(zhǔn)；文獻(xiàn)[7]建立某重型汽車驅(qū)動(dòng)橋橋殼有限元模型，采用Altair OptiStruct的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，使橋殼應(yīng)力分布更加均勻，同時(shí)也保證了橋殼質(zhì)量的減少；文獻(xiàn)[8]對驅(qū)動(dòng)橋殼在最大垂向力、最大牽引力、最大制動(dòng)力、最大側(cè)向力4種工況下進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明該驅(qū)動(dòng)橋殼滿足強(qiáng)度和最大變形量的要求，為橋殼結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù).

本文以某重型卡車的驅(qū)動(dòng)橋殼作為研究對象，建立虛擬的試驗(yàn)臺架，進(jìn)行有限元分析，在保證橋殼應(yīng)力分布均勻、合理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)橋殼的輕量化.

1 驅(qū)動(dòng)橋殼虛擬臺架的確定

1.1 驅(qū)動(dòng)橋殼三維模型的建立

應(yīng)用CATIA三維軟件建立模型時(shí)，考慮到橋殼整體和彈簧座鑄造而成，所以直接在橋殼基礎(chǔ)上添加彈簧座特征.另外在零件設(shè)計(jì)模塊，先建立半軸套管的模型，再進(jìn)入裝配模塊，將橋殼主體和半軸套管裝配在一起，可得到橋殼整體模型，如圖1所示.

圖1 驅(qū)動(dòng)橋殼CATIA三維模型Fig.1 CATIA 3D model of drive axle housing

1.2 驅(qū)動(dòng)橋殼的網(wǎng)格劃分

將建立的橋殼三維模型導(dǎo)入到Hypermesh中進(jìn)行幾何處理、簡化模型、拓?fù)涓倪M(jìn)等操作，然后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分[9].本文所研究的板簧座和后驅(qū)動(dòng)橋殼本體采用二階四面體單元、半軸套管采用六面體單元來劃分網(wǎng)格.經(jīng)過修改后，對其進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查.驅(qū)動(dòng)橋殼單元?jiǎng)澐峙c驅(qū)動(dòng)橋殼劃分后合格的模型如圖2所示.

圖2 驅(qū)動(dòng)橋殼網(wǎng)格單元的劃分Fig.2 Grid of drive axle housing

驅(qū)動(dòng)橋殼2D殼單元通過TetraMesh自動(dòng)生成3D四面體單元，自動(dòng)生成的四面體單元不能有零長度的單元.將橋殼一階四面體單元轉(zhuǎn)化成二階，旨在提高橋殼在應(yīng)力強(qiáng)度分析時(shí)的計(jì)算精度[10].驅(qū)動(dòng)橋殼的總成劃分網(wǎng)格單元的個(gè)數(shù)為1 144 520，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為240 965，得到的橋殼有限元模型如圖3所示.

圖3 驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型Fig.3 Finite element model of drive axle housing

四面體橋殼網(wǎng)格模型劃分好之后，進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)中合格單元所占的比率為100%，達(dá)到橋殼仿真和分析的要求.

1.3 驅(qū)動(dòng)橋殼的材料屬性

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此將橋殼設(shè)為一個(gè)整體，對橋殼設(shè)置材料屬性.橋殼本體包括鋼板彈簧座、兩側(cè)肩部加強(qiáng)筋、橋殼后蓋和橋殼主體，材料均選用鑄鋼SCW550，橋殼半軸套管采用超高強(qiáng)度鋼42CrMo，橋殼組成的各部分材料屬性見表1.

表1 驅(qū)動(dòng)橋殼的材料屬性

Tab.1 The material properties of drive axle housing

名稱材料屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa延伸率/%彈性模量/GPa泊松比密度/g·cm-3橋殼本體SCW550420570≥152120.317.85半軸套管42CrMo1 0471 134≥122100.287.82

1.4 驅(qū)動(dòng)橋殼虛擬臺架的建立

驅(qū)動(dòng)橋殼的材料屬性賦予完成后，下一步就是確定驅(qū)動(dòng)橋殼的虛擬臺架試驗(yàn).橋殼模擬臺架試驗(yàn)中，橋殼的邊界條件應(yīng)盡可能和實(shí)際臺架試驗(yàn)時(shí)保持一致.通過把半軸套管和殼體一體化后施加相應(yīng)的約束和載荷，對兩個(gè)半軸套管施加約束，在板簧座上施加載荷，從而建立了驅(qū)動(dòng)橋殼虛擬臺架的有限元模型，如圖4所示[11].

圖4 驅(qū)動(dòng)橋殼虛擬臺架試驗(yàn)有限元模型Fig.4 A finite element model for the virtual bench test of drive axle housing

2 驅(qū)動(dòng)橋殼虛擬臺架試驗(yàn)分析

2.1 驅(qū)動(dòng)橋殼虛擬臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過CATIA建立驅(qū)動(dòng)橋殼三維模型，利用Hyperworks對橋殼進(jìn)行網(wǎng)格劃分、修改網(wǎng)格、檢查質(zhì)量、生成3D單元以及橋殼材料屬性的施加，通過把半軸套管和殼體一體化后施加給定的約束和載荷建立驅(qū)動(dòng)橋殼虛擬臺架試驗(yàn)的有限元模型，導(dǎo)入到Optistruct中進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析結(jié)果在Hyperview中顯現(xiàn).

論文針對60組驅(qū)動(dòng)橋殼仿真模型進(jìn)行輕量化計(jì)算，經(jīng)過前處理、計(jì)算以及后處理得出60組數(shù)據(jù)，分別為橋殼的位移(Displacement)、橋殼本體和半軸的應(yīng)力(Force)、頻率(Frequence)、質(zhì)量(Mass).其中一組分析結(jié)果如圖5所示.

(a)橋殼變形云圖 (b)橋殼應(yīng)力云圖

(c)橋殼頻率響應(yīng)云圖 (d)橋殼本體應(yīng)力云圖圖5 驅(qū)動(dòng)橋殼虛擬臺架試驗(yàn)分析結(jié)果圖Fig.5 Analysis results of the virtual bench test of drive axle housing

2.2 驅(qū)動(dòng)橋殼虛擬臺架試驗(yàn)振動(dòng)模態(tài)分析

分析輕量化后的前后橋殼低階振動(dòng)模態(tài)頻率，將橋殼輕量化前的分析結(jié)果與輕量化后的前六階非剛體模態(tài)頻率進(jìn)行對比，結(jié)果見表2.通過模態(tài)頻率對比可以看出，輕量化前后橋殼的模態(tài)頻率相對變化量不大，故滿足設(shè)計(jì)要求，分布合理.驅(qū)動(dòng)橋殼輕量化前后的前兩階模態(tài)振型云圖如圖6所示.

表2 橋殼輕量化前后的模態(tài)頻率對比

Tab.2 Contrast of modal frequency before and after axle housing lightweight

模態(tài)階數(shù)輕量化前模態(tài)頻率/Hz輕量化后模態(tài)頻率/Hz相對變化量/Hz1155.0146.5-8.52311.9295.8-16.13389.5365.2-24.34546.2523.4-22.85631.3596.1-35.26795.4751.3-44.1

(a)輕量化前第1階模態(tài) (b)輕量化后第1階模態(tài)

(c)輕量化前第2階模態(tài) (d)輕量化后第2階模態(tài)圖6 橋殼輕量化前后模態(tài)振型云圖Fig.6 Modal vibration cloud diagram of drive axle housing before and after lightweight

3 驅(qū)動(dòng)橋殼輕量化優(yōu)化分析

3.1 Kriging近似模型尋優(yōu)迭代

利用Kriging近似模型，通過計(jì)算結(jié)果和各樣本點(diǎn)構(gòu)造近似模型，并隨機(jī)選取15個(gè)樣本點(diǎn)來驗(yàn)證近似模型的精度.通過對比15個(gè)樣本點(diǎn)的預(yù)測值和實(shí)測值，構(gòu)建出的散點(diǎn)圖如圖7所示.

(a) 位移近似模型誤差檢測 (b) 頻率近似模型誤差檢測

(c) 橋殼應(yīng)力近似模型誤差檢測圖7 Kriging近似模型散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter plot of Kriging approximation model

由圖7可以看出，點(diǎn)在y=x這條線附近分布，預(yù)測值和實(shí)際值相差不大，表明模型的擬合精度較高，近似模型效果較好.通過Kriging近似模型進(jìn)行尋優(yōu)迭代后，橋殼本體質(zhì)量降低了11.48 kg，橋殼最低階模態(tài)頻率下降6.9%，達(dá)到了輕量化的效果.

3.2 輕量化前后剛度性能對比分析

為了達(dá)到國家橋殼臺架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，需驗(yàn)證輕量化后的橋殼彎曲剛度.對比分析橋殼輕量化前后的最大變形量，需選取最大靜應(yīng)力工況，對比結(jié)果見表3.通過對比分析可以看出，橋殼輕量化前后的最大變形量相差0.065 mm，最大變形量相當(dāng)于沒有發(fā)生變化，達(dá)到國家臺架試驗(yàn)的要求，滿足國家臺架試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn).橋殼輕量化前后在最大靜應(yīng)力工況下的位移云圖如圖8所示.

表3 橋殼輕量化前后最大變形量對比

Tab.3 Comparison of the maximum deformation before and after lightweight mm

最大變形量輕量化前輕量化后相對變化量1.3651.430+0.065

(a)輕量化前 (b)輕量化后圖8 橋殼輕量化前后最大變形量云圖Fig.8 The maximum deformation of axle housing before and after lightweight

3.3 輕量化前后應(yīng)力對比分析

為了滿足橋殼的應(yīng)力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，需對比分析驅(qū)動(dòng)橋殼總成和本體的最大靜應(yīng)力工況，結(jié)果見表4.橋殼總成和本體輕量化前后的最大靜應(yīng)力工況云圖如圖9、圖10所示.

表4 橋殼輕量化前后最大靜應(yīng)力對比結(jié)果

Tab.4 Comparison of the maximum static stress of driving axle housing before and after lightweight MPa

總成最大應(yīng)力值本體最大應(yīng)力值輕量化前輕量化后相對變化量輕量化前輕量化后相對變化量434.0462.1+28.1183.7177.6-6.1

(a)輕量化前 (b)輕量化后圖9 橋殼輕量化前后最大靜應(yīng)力工況云圖Fig.9 The maximum static stress working conditions of the driving axle housing before and after lightweight

(a)輕量化前 (b)輕量化后圖10 橋殼本體輕量化前后最大靜應(yīng)力工況云圖Fig.10 The maximum static stress working conditions of the driving axle housing body before and after lightweight

通過橋殼總成和本體輕量化前后的最大靜應(yīng)力值對比結(jié)果可以看出，橋殼整體的最大靜應(yīng)力值增加了28.1 MPa，但仍遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力，滿足橋殼應(yīng)力和強(qiáng)度的要求和標(biāo)準(zhǔn).橋殼本體的最大靜應(yīng)力值降低了6.1 MPa，說明優(yōu)化后橋殼本體的應(yīng)力分布更加均勻合理.

4 結(jié)束語

本文在虛擬臺架試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)及其輕量化，通過驅(qū)動(dòng)橋殼虛擬臺架試驗(yàn)有限元模型的分析，得出橋殼的應(yīng)力、質(zhì)量、位移變形量和頻率.結(jié)合Kriging近似模型和輕量化求解算法對橋殼本體壁厚、半軸套管壁厚和橋包壁厚進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì).仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的橋殼各項(xiàng)性能均滿足設(shè)計(jì)要求，剛度、強(qiáng)度應(yīng)力分布均勻，實(shí)現(xiàn)了橋殼的輕量化，并提升了橋殼性能.