基于Hyperworks的微型車車橋疲勞壽命分析與研究

孟斌，姚賓，燕穎，鄧群

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

基于Hyperworks的微型車車橋疲勞壽命分析與研究

孟斌，姚賓，燕穎，鄧群

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

驅(qū)動(dòng)橋是汽車上主要部件之一，驅(qū)動(dòng)橋的質(zhì)量好壞會(huì)大大影響到車輛的安全使用。在車輛不斷向高速、輕量、低能耗和高性能發(fā)展的今天，微型車車橋的安全性日益受到關(guān)注。本文以實(shí)體單元為基礎(chǔ)，通過(guò)Proe軟件對(duì)微型汽車車橋進(jìn)行建模，利用Hyperworks對(duì)模型進(jìn)行有限元模擬分析。在隨機(jī)載荷下的對(duì)其疲勞壽命予以分析，并對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，得出了驅(qū)動(dòng)橋的應(yīng)力和變形分布。通過(guò)強(qiáng)度評(píng)價(jià)和疲勞壽命估算，驗(yàn)證了該車橋設(shè)計(jì)的合理性，為商用車車橋設(shè)計(jì)研發(fā)提供了參考。

驅(qū)動(dòng)橋；Hyperworks；有限元；疲勞壽命

CLC NO.: U463.3 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2014)10-58-04

緒論

驅(qū)動(dòng)橋作為車輛的重要總成，傳遞車輛、車架和路面間的各種作用力。其動(dòng)靜態(tài)性能的優(yōu)劣能直接影響到整車工作的安全性、平穩(wěn)性、舒適性[1]。研究表明，長(zhǎng)期在交變載荷下工作是車橋發(fā)生破壞的主要原因[2]。因而，對(duì)車橋疲勞壽命分析很有必要。基于可靠性的設(shè)計(jì)方式要求汽車在設(shè)計(jì)的使用期內(nèi)不產(chǎn)生疲勞破壞,超出到使用期后盡可能多的產(chǎn)生損傷幾率[3]，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品輕量化，節(jié)約材料、能源的目的。而傳統(tǒng)的分析方法主要通過(guò)合同類車橋類比，然后在實(shí)際道路上行駛實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)[4]，或者是采用虛擬實(shí)驗(yàn)[5]方法研究車橋可靠性能后，再試生產(chǎn)。這種方式，試驗(yàn)投資大、周期長(zhǎng)，不利于企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)與發(fā)展[6]。

計(jì)算機(jī)CAE技術(shù)的發(fā)展，使用相應(yīng)的軟件就能完成疲勞仿真分析[7]。本文通過(guò)Proe、Hyperworks建立了驅(qū)動(dòng)橋的有限元模型，并在隨機(jī)載荷下的對(duì)其疲勞壽命予以分析，從而確立其可靠性。

1、Hyperworks介紹

Altair公司的Hyperworks軟件為企業(yè)級(jí)CAE平臺(tái)，集成設(shè)計(jì)與分析多種工具，擁有開放性體系和可編程工作平臺(tái)，可提供頂尖的CAE建模、可視化分析、優(yōu)化分析、以及健壯性分析、多體仿真、制造仿真、以及過(guò)程自動(dòng)化。Altair公司的Hyperworks軟件為用戶提供優(yōu)秀的前處理工具HyperMesh，以及全面而通用的CAE后處理環(huán)境Hyperworks。在疲勞失效預(yù)測(cè)分析中，應(yīng)用Hyperworks軟件進(jìn)行有限元疲勞預(yù)測(cè)，將零部件設(shè)計(jì)水平從壽命定性設(shè)計(jì)到壽命定量設(shè)計(jì)變?yōu)榭赡?。借助HyperMesh 和 Radioss 模塊，可以實(shí)現(xiàn)疲勞分析的使用過(guò)程，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，并對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。

HyperMesh高性能、開放式有限單元前后處理器，主要用于模型處理。相對(duì)其它軟件，具有更為強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力。它能夠提供與主流商業(yè)CAD、CAE求解器的接口，確保將建立的物理模型的導(dǎo)入 ，以便進(jìn)行有限元分析。

Altair Radioss 是一個(gè)功能強(qiáng)大的有限元求解器，包含顯式和隱式時(shí)間積分求解算法，同時(shí)支持拉格朗日、歐拉和ALE 算法。采用 Radioss技術(shù)，用戶可以自由地選擇采用動(dòng)態(tài)、靜態(tài)或瞬態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)大應(yīng)變和大位移等非線性結(jié)構(gòu)、流體、流固耦合問(wèn)題的仿真求解。

2、基于Hyperworks的微型汽車車橋建模及仿真

以下，車橋的結(jié)構(gòu)、有限元網(wǎng)格的剖分等幾個(gè)方面入手

[8]，介紹基于Hyperworks的車橋模型的建立。

2.1 車橋的結(jié)構(gòu)模型

為減小建模規(guī)模，在保證計(jì)算精度的前提下,對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化[9]。即：省去了對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度、質(zhì)量矩陣及動(dòng)應(yīng)力分布影響不大的結(jié)構(gòu)：省略制動(dòng)分泵支架，潤(rùn)滑油加注口，板簧支座，底部放油孔，固定導(dǎo)線和油管所用的金屬卡，制動(dòng)底板凸緣及應(yīng)力較小的過(guò)渡圓角，另外將后背殼中間部分的復(fù)雜曲面簡(jiǎn)化為球面。采用PROE三維軟件建立模型，如圖2所示：

2.2 有限元前處理分析

在有限元前處理分析采用Hyperworks中的Hypermesh。網(wǎng)格劃分是有限元處理中的一個(gè)重要組織部分。劃分網(wǎng)格時(shí)需要注意網(wǎng)格數(shù)量、疏密程度、網(wǎng)格質(zhì)量、網(wǎng)格分界面、網(wǎng)格布局等[10]。

由于hyperworks10.0可以直接導(dǎo)入PROE的模型，不需要再進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，因此省去了幾何清理這一步聚。根據(jù)模型各部分形狀的不同，先生成二維網(wǎng)格，再根據(jù)實(shí)體形狀，將二維網(wǎng)格進(jìn)行拉伸或旋轉(zhuǎn)生成六面體實(shí)體網(wǎng)格。在外殼方形部分與圓管部分與連接處則直接采用tetramesh，生成四面體實(shí)體網(wǎng)格。

本文將為下一步的靜態(tài)工況，設(shè)置3個(gè)有限元模型，分別是采用shell單元，材料厚度分別為6mm及5mm的橋殼有限元模型，另外是采用體單元，材料厚度為5mm的橋殼有限元模型。設(shè)置的材料類型均為MAT1，設(shè)置的材料數(shù)據(jù)為彈性模量為210000Mpa，波松比為0.3，密度為7.9e3Kg/m3。

圖3中的模型采用體網(wǎng)格，且材料厚度為5mm最終單元數(shù)為14960。

網(wǎng)格檢查結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)的實(shí)際情況，在模擬臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中，把受力點(diǎn)定在彈簧座上[11]。在用Hyperworks分析時(shí)，由于將彈簧座省略掉，此時(shí)將力設(shè)置到彈簧座據(jù)在位置的半軸套管上，軟件會(huì)根據(jù)所選的受力節(jié)點(diǎn)，將力均勻分布在這些受力節(jié)點(diǎn)

上。模型的支點(diǎn)則選在半軸套管的凸圓，即將橋殼兩端6個(gè)自由度全部約束。

殼單元下的橋殼加載力，加載位置共有806個(gè)節(jié)點(diǎn)。后橋滿載軸荷為5000N，每個(gè)節(jié)點(diǎn)5000N/806=6.203N。2.5倍加載力則為15.509N。對(duì)材料厚度分別采取6mm及5mm的有限元模型進(jìn)行分析。加載約束及載荷的模型圖6所示：

在考慮阻尼和剛度的前提下通過(guò)路面不平度影響下，汽車驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)系統(tǒng)模型及微分方程表達(dá)式，可為驅(qū)動(dòng)橋的有限元?jiǎng)討B(tài)分析與設(shè)計(jì)提供載荷方面的準(zhǔn)備[12]，繼而結(jié)合路面特征獲得路面的載荷譜。以長(zhǎng)安大學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地路面的加速度功率譜密度作為輸入數(shù)據(jù)，將頻率范圍設(shè)置在各路面頻率譜值范圍內(nèi)。其頻率譜值如表所示。

3、微型汽車車橋壽命計(jì)算

求解結(jié)果如下圖所示：

本文采用的模型參照某微型車橋。車橋材料采用Q195。在建模過(guò)程中，將車橋整體采用同一種材料屬性。Q195的參數(shù)如下：屈服極限195Mpa，強(qiáng)度極限330Mpa，泊松比為0.3，彈性模量1.86e11～2.06e11pa，密度為7.8e3Kg/m3。以上各參數(shù)與熱處理有關(guān)。另外采用的橋殼厚度為6mm。

由于Miner理論基于這樣的假設(shè)，即各級(jí)應(yīng)力所產(chǎn)生的所有損傷率之和為1，零件就發(fā)生破壞[13]。

相應(yīng)工作應(yīng)力幅，相對(duì)應(yīng)的工作循環(huán)次數(shù)為ni。Nt表示具體失效循環(huán)次數(shù)，N1代表最大應(yīng)力級(jí)作用下的失效循環(huán)數(shù)。

有零件的疲勞曲線方程，得

代入得：

m為零件疲勞曲線左支的冪指數(shù)。

即零件總體的中值疲勞壽（R=0.500）時(shí)

用工作年限表示車橋的中值疲勞壽命

累積行駛里程可達(dá)4500000公里。

4、結(jié)論

木文利用Hyperworks對(duì)汽車驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行強(qiáng)度有限元計(jì)算分析，由分析結(jié)果可知，利用計(jì)算機(jī)工程軟件進(jìn)行有限元計(jì)算能夠?qū)ζ嚱Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較全面的分析，獲得微型汽車在隨機(jī)載荷譜下車橋應(yīng)力應(yīng)變分部信息，并結(jié)合材料疲勞分析理論，可以計(jì)算出疲勞壽命和行駛里程。通過(guò)結(jié)果可以看出，微型車車橋具有良好的疲勞可靠性。

[1]胡頌韓.整體式驅(qū)動(dòng)車橋的輕量化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)機(jī)械與載運(yùn)工程學(xué)院.2012.

[2]吳瑞明,周曉軍,趙明巖等.汽車驅(qū)動(dòng)橋的疲勞檢測(cè)分析[J].汽車工程.2003(3): 283-286.

[3]高晶,宋健,張步良等.基于MSC_Fatigue的汽車驅(qū)動(dòng)橋殼疲勞壽命預(yù)估[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào).2007(3):210-214.

[4]吳躍成,周曉軍,車煥森.車輛驅(qū)動(dòng)橋隨機(jī)疲勞可靠性室內(nèi)快速試驗(yàn)[J].汽車工程.2004(1)98-101.

[5]王天仁.基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的某商用車驅(qū)動(dòng)橋疲勞分析[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)機(jī)械與載運(yùn)工程學(xué)院.2012.

[6]曹文鋼,鄧?yán)?李麗,劉振.基于HyperWorks的某橋殼有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)[J].研究與開發(fā). 2009(5)46-48.

[7]李麗云.汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的力學(xué)性能仿真分析[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)機(jī)械與載運(yùn)工程學(xué)院.2012.

[8]朱崢濤.汽車驅(qū)動(dòng)橋橋殼有限元分析[D].南昌:南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院.2007.

[9]Yiming Shao, Jing Liu, Chris K.Mechefske.Drive axle housing failure analysis of a mining dump truck based on the load spectrum [J]. Engineering Failure Analysis.2011(18):1049-1057.

[10]劉為.汽車后驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析[D]. 合肥:合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院.2012.

[11]Mehmet Firat. A computer simulation of four-point bending fatigue of a rear axle assembly [J].Turkey: Engineering Failure Analysis. 2011(18):2137-2148.

[12]王鐵,張國(guó)忠,周淑文.路面不平度影響下的汽車驅(qū)動(dòng)橋動(dòng)載荷[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào).2003(1):50-53.

[13]王星.貨車驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法研究[D].重慶:重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院.2008.

Analysis and Study of Micro Cars’ Driving Axle Fatigue Life Based on Hyperworks

Meng Bin, Yao Bin, Yan Ying, Deng Qun
(School of Automobile，Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064)

As one of the main components, the quality of driving axle will greatly affect the safe use of vehicle. Nowadays, vehicles are developed in the direction of high speed, light, low energy and high quality. However, the safety of driving axle is concerned by everybody increasingly.This paper describes the modeling of micro vehicles’ driving axle with Proe on the basis of solid element and presents finite element analysis and simulation on it. Then test the fatigue life of the axle under random load and calculate its fatigue strength. Thus, the stress and deformation distribution of the driving axle can be attained. By making strength evaluation and fatigue life estimation, the rationality of the axle will be verified. This method provides reference for the design and research of commercial vehicles’ axles.

Driving Axle; Hyperworks; Finite Element; Fatigue Life

U463.3

A

1671-7988(2014)10-58-04

孟斌，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)。