純電動(dòng)汽車一體化驅(qū)動(dòng)后橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

張湯姆

摘 要：對(duì)于車輛的整體使用壽命和使用品質(zhì)而言，驅(qū)動(dòng)后橋動(dòng)力總成系統(tǒng)扮演著非常重要的角色。本研究就工信部公開的某車參數(shù)為基礎(chǔ)，以ANSYS workbench為基礎(chǔ)建立有限元模型，對(duì)其驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行不同極限工況下的仿真模擬，之后完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，以輕量化以及降低最大位移變形量為目標(biāo)，橋殼相關(guān)尺寸為參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量降低0.96%，最大變形值減少0.93%目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)后橋;ANSYS;workbench;仿真計(jì)算;優(yōu)化

0 引言

本篇文章以市面上某款電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，使用ANSYS workbench對(duì)其進(jìn)行有限元模型分析，證實(shí)其強(qiáng)度剛度等都可滿足使用標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上采取直接優(yōu)化方法，制定目標(biāo)函數(shù)和輸入?yún)?shù)后實(shí)施優(yōu)化，從而獲得更加可靠的數(shù)據(jù)，達(dá)到了輕量化的目標(biāo)。

1 有限元分析

1.1 構(gòu)建車架模型及網(wǎng)格劃分

在建立驅(qū)動(dòng)橋殼的模型時(shí)，需要抹去不影響整體性能的小孔與圓角，如此可降低網(wǎng)格劃分難度。選用的橋殼材料為45Cr合金鋼，屈服應(yīng)力為450 MPa，總質(zhì)量為28.15 kg，對(duì)各部件材料屬性設(shè)置完成后，采取網(wǎng)格劃分，使用的是六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為27 620，節(jié)點(diǎn)數(shù)為119 725。

1.2 極限工況仿真分析

汽車在道路中行駛時(shí)會(huì)受到不同方向和大小的力，不過(guò)大都可以概括為四類工況，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)選用了這四類工況下的極限數(shù)值，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋橋殼進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得了四類極

限工況下橋殼的應(yīng)力、位移分布規(guī)律。最終的結(jié)論表明，一體化驅(qū)動(dòng)橋橋殼在最大垂直力工況下橋殼中心處應(yīng)力較大，為438.63 MPa;最大單位變形量是0.904 mm/m，都遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值，所以此次研發(fā)的后橋結(jié)構(gòu)滿足極限工況中的應(yīng)用要求，在極限狀態(tài)下不會(huì)出現(xiàn)損傷。

1.3 疲勞壽命分析

根據(jù)汽車規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)QCT533-1999中對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼疲勞試驗(yàn)的要求，測(cè)試負(fù)載最大按照滿載時(shí)的2.5倍加載，為36 kN;最小按照滿載時(shí)的0.25倍加載，為3.6 kN。所得結(jié)果為在滿載軸荷作用下驅(qū)動(dòng)橋橋殼的最低壽命為52萬(wàn)次，與國(guó)家規(guī)定的最低次數(shù)50萬(wàn)次相比略高，所以驅(qū)動(dòng)橋殼在該極限工況中的疲勞壽命仿真計(jì)算中是滿足要求的。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)函數(shù)設(shè)定

經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算可以了解到，橋殼的最大應(yīng)力為438.63 MPa，最大位移為1.529 2，遠(yuǎn)小于材料極限值，所以驅(qū)動(dòng)橋在強(qiáng)度及剛度方面遠(yuǎn)超過(guò)車輛的使用要求。考慮到生產(chǎn)成本及耗油量等問題，在確保安全基礎(chǔ)下可采取輕量化設(shè)計(jì)，此處可對(duì)其尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)定輸入?yún)?shù)為橋殼尺寸。驅(qū)動(dòng)橋殼優(yōu)化參數(shù)P1為橋殼中段長(zhǎng)度;P2為橋殼厚度，P3為橋殼中間裝配圓圓周，P4為橋殼中間裝配圓直徑，p5為套筒直徑，p6為橋殼中段長(zhǎng)度。按照此次優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定約束區(qū)間為：

300 mm≤P1≤350 mm，6 mm≤P2≤10 mm，P3=250 mm，260 mm≤P4≤300 mm，80 mm≤P5≤85 mm，680 mm≤P6≤690 mm

取不平路面制動(dòng)工況下橋殼的最大等效應(yīng)力和最大變形為約束條件，以輕量化為優(yōu)化目標(biāo)。建立多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型：

2.2 優(yōu)化結(jié)果選擇

在ANSYS workbench中建立優(yōu)化分析模塊，此模塊包括：模型部分、靜力學(xué)分析部分和響應(yīng)優(yōu)化分析部分。在上述三個(gè)模塊中設(shè)定輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)的邊界值，之后完成優(yōu)化分析。得到參數(shù)的敏感圖。

根據(jù)該圖可以看出，橋殼凸殼處的高度p4對(duì)橋殼質(zhì)量以及位移敏感度最高，而橋殼內(nèi)徑p5對(duì)應(yīng)力影響最大，同時(shí)為負(fù)相關(guān)關(guān)系?；诖耍诤髽蜻M(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中如果橋殼發(fā)生了位移變形過(guò)大或應(yīng)力過(guò)大的情況，就要提高中間殼體厚度而非兩端的厚度以對(duì)其實(shí)施優(yōu)化?；谝陨戏治鰧?duì)橋殼進(jìn)行最終的優(yōu)化求解，求得輕量化模型目標(biāo)函數(shù)的2個(gè)最優(yōu)候選解，經(jīng)綜合評(píng)估后，選擇其中的一組解集。最終得到優(yōu)化前后的參數(shù)對(duì)比表：

可以發(fā)現(xiàn)，在保持驅(qū)動(dòng)橋性能的基礎(chǔ)上，其主要參數(shù)都得到了一定的優(yōu)化，質(zhì)量降低0.96%，最大變形值減少0.93%。完成了輕量化的目標(biāo)。

3 結(jié)論

結(jié)論本文基于參數(shù)化思想，在保證整車性能的前提下，采用模塊對(duì)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將優(yōu)化前、后的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明：優(yōu)化后最大應(yīng)力值減少7.8%;質(zhì)量減輕3.9%;變形減少了8.6%，證明此次優(yōu)化后的結(jié)果是可行的。

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