某車型橋殼結(jié)構(gòu)性能分析及輕量化方案設(shè)計(jì)

朱華宇 羅俊華 潘勇才 梁程華

摘? 要：為了在不降低安全性能的基礎(chǔ)上完成輕量化指標(biāo)，采用有限元仿真技術(shù)對某車型橋殼結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，包括模態(tài)分析、強(qiáng)度分析，并根據(jù)橋殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨材料厚度、強(qiáng)度的變化規(guī)律提出該橋殼輕量化選材方案，即選材由原來的5.0 mm-SAPH440優(yōu)化為4.0 mm-P590QK，此時(shí)橋殼的疲勞強(qiáng)度后備系數(shù)指標(biāo)及剛度指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，靜強(qiáng)度后備系數(shù)略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，但由于材料實(shí)物強(qiáng)度均高于理論計(jì)算時(shí)采用的最低值，故其靜強(qiáng)度后備系數(shù)能夠滿足實(shí)際要求.現(xiàn)場沖壓試驗(yàn)及臺架性能檢測結(jié)果表明，4.0 mm-P590QK橋殼成形性及結(jié)構(gòu)疲勞、剛度、強(qiáng)度等性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.本方案使橋殼零件減重20%，達(dá)到了輕量化指標(biāo).

關(guān)鍵詞：橋殼;輕量化;性能分析;選材;有限元仿真

中圖分類號：U463.218.5? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.03.014

0? ? 引言

隨著我國“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，汽車排放標(biāo)準(zhǔn)升級、油耗限值、一超四罰等政策陸續(xù)出臺，國家對汽車超重超載等問題的治理越來越嚴(yán)格.目前，汽車輕量化因其有利于提高汽車有效負(fù)載能力，節(jié)能減排，安全環(huán)保，已成為行業(yè)發(fā)展的重要趨勢.為了實(shí)現(xiàn)整車輕量化的總目標(biāo)，各零部件均需承擔(dān)相應(yīng)的減重指標(biāo).橋殼是汽車后驅(qū)設(shè)計(jì)中的主要承載構(gòu)件之一，承載了主減速器、差速器的重量以及大部分減震彈簧以上的載荷，同時(shí)還保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)中的各部件，要求材料強(qiáng)度高、成形性好并具有優(yōu)良的焊接性能[1-3].橋殼設(shè)計(jì)研究方法主要有實(shí)驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)法以及有限元仿真法等3種，由于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，有限元仿真方法逐漸被大量的研究者采用.國外在 20 世紀(jì) 70年代前后，就開始將有限元法應(yīng)用于汽車的驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)方面，如美國機(jī)械研究所及萬國汽車公司，都曾利用有限元法對橋殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析[4].近年來國內(nèi)學(xué)者在不同種類的橋殼強(qiáng)度校核分析方面取得了多項(xiàng)成果[5-11]，但目前的研究成果多是校核橋殼強(qiáng)度，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)性能[12-13]，而對一定加載條件下橋殼結(jié)構(gòu)受力與材料厚度、強(qiáng)度之間的變化關(guān)系則研究較少.本文對某車型橋殼結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了仿真分析，在兼顧橋殼輕量化和安全性的基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)性能隨材料厚度、強(qiáng)度的變化趨勢提出了該橋殼輕量化選材方案，并進(jìn)行了沖壓生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證.

1? ? 模型建立與受力分析

1.1? ? 有限元模型及分析計(jì)算條件

所有零件都采用殼單元離散，并盡量采用四邊形網(wǎng)格單元.焊點(diǎn)采用spot單元連接，螺栓連接采用rb2剛性連接.該橋殼有限元模型基本數(shù)據(jù)如表1所示，最終建立的有限元模型如圖1所示.

完成建模后，對橋殼結(jié)構(gòu)中的材料定義基本屬性，見表2.

1.2? ? 橋殼原結(jié)構(gòu)性能分析

1.2.1? ? 橋殼模態(tài)分析

模態(tài)分析的目的是了解橋殼總成結(jié)構(gòu)的固有頻率及振動(dòng)型式是否合理，為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的評價(jià)提供參考.

此處分析該橋殼結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)，加載工況為無約束.鑒于對車身的振動(dòng)響應(yīng)影響相對較大的激勵(lì)頻率多集中在低頻域，本文只列出了剛體模態(tài)前四階頻率及振型.橋殼結(jié)構(gòu)的固有頻率如表3所示.

該橋殼前四階模態(tài)振型如圖2所示.

由表3及圖2可知，該橋殼的結(jié)構(gòu)振頻較高，剛性好，結(jié)構(gòu)有限元模型良好，沒有明顯影響計(jì)算結(jié)果的問題.

1.2.2? ? 橋殼強(qiáng)度分析

材料：厚度為5.0 mm的SAPH440.

約束：左端是鉸鏈約束（可繞Z軸旋轉(zhuǎn)，約束3個(gè)位移+2個(gè)旋轉(zhuǎn)），右端是“小車+鉸鏈”（可繞Z軸旋轉(zhuǎn)及X軸伸縮，約束2個(gè)位移+2個(gè)旋轉(zhuǎn)）.

加載：以直接載荷加載的方式加載到兩端的板簧坐板上，后橋滿載軸荷1 070 kg.在橋殼結(jié)構(gòu)兩端板簧位置處各施加5 350 N載荷（1 070×10÷2=5 350 N）.

約束和施加載荷情況如圖3所示.

5.0 mm-SAPH440橋殼在加載載荷下的位移云圖見圖4.

由圖4可知，橋殼在滿載載荷條件下，最大位移出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中間部位，最大位移為0.438 mm.

橋殼應(yīng)力分布云圖如圖5所示，最大應(yīng)力集中在橋殼與板簧坐板連接部位.通過圖5可知，5.0 mm厚度橋殼此時(shí)最大應(yīng)力值為71.875 MPa（焊點(diǎn)附近）.

1.3? ?橋殼位移及應(yīng)力與材料厚度的關(guān)系

為了確定合理的輕量化方案，首先考察相同加載及邊界條件、不同材料厚度下的橋殼結(jié)構(gòu)性能變化情況.依次取材料厚度為5.0 mm、4.8 mm、? ? 4.6 mm、…、3.2 mm，其他條件不變，橋殼結(jié)構(gòu)最大位移及最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表4所示.

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)繪制出該橋殼最大位移及最大應(yīng)力隨材料厚度的變化趨勢圖，如圖6、圖7所示.

由圖6、圖7可知，相同邊界條件下，橋殼的最大位移、最大應(yīng)力均與材料厚度基本上成反比關(guān)系，變化曲線比較光順，沒有突變點(diǎn).

2? ? 橋殼結(jié)構(gòu)性能評價(jià)指標(biāo)及輕量化

方案設(shè)計(jì)

2.1? ?橋殼結(jié)構(gòu)性能評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)《QC/T533—1999汽車驅(qū)動(dòng)橋臺架試驗(yàn)方法》，橋殼結(jié)構(gòu)性能評價(jià)指標(biāo)如下：

1）強(qiáng)度評價(jià)指標(biāo)：

靜強(qiáng)度后備系數(shù) = 抗拉強(qiáng)度/滿載應(yīng)力[>]6.00，

疲勞強(qiáng)度后備系數(shù) = 屈服強(qiáng)度/2.5倍滿載應(yīng)力[>]1.40.

2）剛度評價(jià)指標(biāo)：

輪距變形量[≤]1.500 mm/m.

由表4可知，即使材料厚度減薄為3.2 mm，當(dāng)前模型條件下該橋殼的最大位移僅為0.713 mm，故該橋殼的結(jié)構(gòu)剛度足夠.本文主要考察不同材料厚度下的橋殼強(qiáng)度指標(biāo).

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，該橋殼要滿足靜強(qiáng)度后備系數(shù)[>]6.00、疲勞強(qiáng)度后備系數(shù)[>]1.40，則不同厚度材料的最小屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度理論上應(yīng)該滿足? 表5.

當(dāng)前橋殼選材為5.0 mm-SAPH440，該材料屈服強(qiáng)度為300～350 MPa，抗拉強(qiáng)度為不低于440 MPa，由表5可知該材料滿足QC/T533—1999標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的橋殼靜強(qiáng)度后備系數(shù)及疲勞強(qiáng)度后備系數(shù)要求.

制定橋殼輕量化方案時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度應(yīng)該滿足表5中的要求.

2.2? ? 橋殼輕量化方案設(shè)計(jì)

為了將對現(xiàn)場的影響降到最低限度，本次輕量化方案設(shè)計(jì)主要集中于上下半橋殼及4塊連接板組件，如圖8所示.

根據(jù)表5中的計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)該上下半橋殼及4塊連接板組件輕量化方案（表6）.

由表6可知，所設(shè)計(jì)的輕量化方案的疲勞強(qiáng)度后備系數(shù)超過了標(biāo)準(zhǔn)要求（[>]1.40），而靜強(qiáng)度后備系數(shù)略低于標(biāo)準(zhǔn)要求（[>]6.00），但由于計(jì)算靜強(qiáng)度后備系數(shù)時(shí)采用的抗拉強(qiáng)度值是材料的最低值，而材料實(shí)物的抗拉強(qiáng)度一般比最低值高出20 MPa以上，故該方案的靜強(qiáng)度后備系數(shù)是能夠滿足實(shí)際需要的.

當(dāng)橋殼厚度為4.0 mm時(shí)，其最大位移位置如圖9所示，與圖4相比最大位移位置沒有發(fā)生改變，仍然是集中在橋殼結(jié)構(gòu)的中部，但最大位移為0.557 mm.

4.0 mm厚度橋殼應(yīng)力分布如圖10所示，與圖5相比位置沒有發(fā)生改變，最大應(yīng)力集中在橋殼與板簧坐板連接部位，但最大應(yīng)力為103.851 MPa（焊點(diǎn)附近）.

4.0 mm厚度橋殼前四階模態(tài)振型與圖2所示基本一致，但是固有頻率數(shù)值略有下降.該橋殼結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)前四階固有頻率如表7所示.

汽車受到的激勵(lì)頻率一般為幾赫茲到幾十赫茲.由表7可知，由于頻帶范圍遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率，該輕量化橋殼結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象.

3? ? 輕量化橋殼生產(chǎn)驗(yàn)證

3.1? ?輕量化橋殼沖壓成形性驗(yàn)證

采用本文所推薦的橋殼輕量化方案（見表6），現(xiàn)場采用4.0 mm-P590QK材料沖壓出了某車型驅(qū)動(dòng)橋橋殼（見圖11），零件成形合格，表明P590QK材料成形性能良好.

3.2? ?輕量化橋殼臺架試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)QC/T533—1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺架試驗(yàn)方法》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在典型橋殼結(jié)構(gòu)性能檢測平臺上（圖12）開展了某驅(qū)動(dòng)橋P590QK材料橋殼性能檢測試驗(yàn).該橋殼的垂直彎曲疲勞性能、彎曲靜剛度、彎曲靜強(qiáng)度等指標(biāo)的檢測結(jié)果見表8—表10.

由表8—表10可知，該橋殼結(jié)構(gòu)垂直方向的彎曲疲勞性能、彎曲靜剛度、彎曲靜強(qiáng)度等性能指標(biāo)均合格，這表明所設(shè)計(jì)的輕量化方案是合理的、可行的.

4? ? 結(jié)論

1）該橋殼選材為5.0 mm厚度SAPH440或4.0 mm厚度P590QK材料，疲勞強(qiáng)度后備系數(shù)指標(biāo)及剛度指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，4.0 mm厚度P590QK材料靜強(qiáng)度后備系數(shù)略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，但由于P590QK材料實(shí)物強(qiáng)度均高于理論計(jì)算時(shí)采用的最低值，故其靜強(qiáng)度后備系數(shù)能夠滿足實(shí)際要求.

2）生產(chǎn)現(xiàn)場沖壓成形試驗(yàn)結(jié)果及臺架試驗(yàn)性能檢測結(jié)果表明：選材為4.0 mm厚度P590QK，材料成形性能良好，零件成形合格，橋殼結(jié)構(gòu)性能合格，已經(jīng)在某車型橋殼上應(yīng)用，這表明所設(shè)計(jì)的輕量化方案合理、可行.

3）該橋殼選材由5.0 mm厚度SAPH440優(yōu)化為4.0 mm厚度P590QK，零件減重20%，2種材料價(jià)格差別只有7%～8%，因減重顯著、價(jià)格差異小，故本文所設(shè)計(jì)的橋殼輕量化方案具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.

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The structural performance analysis and lightweight design of

a model axle housing

ZHU Huayu1， LUO Junhua2， PAN Yongcai2， LIANG Chenghua*2

（1.Liuzhou Wuling Automobile Industry Co.， Ltd.， Liuzhou 545000， China; 2. School of Electric and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China）

Abstract： Aiming at completing the lightweight index without reducing the safety performance， the? ? ? finite element simulation is used to analyze the structural performance of the axle housing of a certain vehicle model， including modal analysis， stiffness， and strength analysis. Based on the law of strength changes， the plan is proposed for selecting lightweight material for the axle housing， that is， the material is optimized from the original 5.0 mm-SAPH440 to 4.0 mm-P590QK. At this time， the fatigue strength reserve factor index and stiffness index of the axle housing meet the standard requirements， and the