基于不同邊界模型的H5G型重卡整體式驅(qū)動(dòng)橋殼研究

王孝鵬，劉建軍，陳建軍，吳龍

（1.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建三明,365004；2.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建三明365004；3.中國(guó)重汽福建海西汽車有限公司技術(shù)中心，福建永安366000）

基于不同邊界模型的H5G型重卡整體式驅(qū)動(dòng)橋殼研究

王孝鵬1，2，3，劉建軍1，2，陳建軍3，吳龍1，2

（1.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建三明,365004；2.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建三明365004；3.中國(guó)重汽福建海西汽車有限公司技術(shù)中心，福建永安366000）

驅(qū)動(dòng)橋殼是汽車行駛系統(tǒng)承載和傳力的關(guān)鍵部件之一，用ABAQUS軟件建立H 5G型重卡的整體式驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型；在分析過程中，對(duì)其施加四種不同的位移邊界條件，分析其在相應(yīng)狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變及模態(tài)。結(jié)果表明：不同的位移邊界對(duì)分析結(jié)果影響較大，耦合分布約束計(jì)算結(jié)果精確，建模簡(jiǎn)單，對(duì)局部網(wǎng)格沒有特殊要求，是有限元分析首選的位移邊界條件。

驅(qū)動(dòng)橋殼；位移邊界；有限元；ABAQUS；

有限元模型的精確性直接關(guān)乎到應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果及后續(xù)優(yōu)化與疲勞分析的準(zhǔn)確性，對(duì)產(chǎn)品的最終性能有很大影響。目前大多關(guān)于驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析文獻(xiàn)中，存在邊界條件處理不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)默F(xiàn)象，即存在不合理的過約束，這樣將會(huì)使驅(qū)動(dòng)橋的抗彎強(qiáng)度有顯著的增加，計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)際情況[1-5]。車橋是車輛行駛系中主要的部件之一，在整車的行駛過程中，它既是承載件又是傳力件，一方面承受汽車的重量且傳遞給車輪，另一方面在驅(qū)動(dòng)車輪上的牽引力、制動(dòng)力、橫向力也經(jīng)過橋殼傳遞到懸架或者車架上，因此車橋的力學(xué)性能對(duì)于整車的乘坐及安全性有非常重要的作用[1]。中國(guó)重汽生產(chǎn)的H5G型重卡是一款中短途物流運(yùn)輸配送車輛，主要在路況相對(duì)較好的國(guó)道及高速公路上行駛，載重為16～18 t。其驅(qū)動(dòng)橋殼經(jīng)過簡(jiǎn)化建立的幾何模型如圖1所示。

1　橋殼有限元模型

整體式驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型建立主要包括網(wǎng)格劃分、材料特性賦予、不同位移邊界條件的約束及載荷施加4個(gè)步驟。其中邊界條件的處理直接關(guān)系到模型計(jì)算結(jié)果的精確性。

圖1驅(qū)動(dòng)橋殼幾何模型

1.1網(wǎng)格劃分

在劃分網(wǎng)格之前對(duì)整體式驅(qū)動(dòng)橋殼幾何模型進(jìn)行技術(shù)處理，在輪轂支撐斷面及輪轂支撐中心分別進(jìn)行幾何切分，在板簧與車橋支撐處進(jìn)行面剖分，保證在網(wǎng)格劃分過程中在邊線形式規(guī)則的網(wǎng)格，使支撐斷面與支撐中心的邊界條件施加較為容易。驅(qū)動(dòng)橋殼的網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分，單元類型為C3D10。單元數(shù)量為85796；節(jié)點(diǎn)數(shù)量為25978。單元尺寸統(tǒng)一為5 mm。單元在前處理軟件Hypermesh中劃分好之后導(dǎo)入到ABAQUS中，經(jīng)檢單元分析檢測(cè)為3個(gè)不合理單元，達(dá)到理想狀態(tài)。

1.2材料特性

H5型載重汽車的整體式驅(qū)動(dòng)橋殼殼體采用16MnL材料制作，其碳含量在0.16%左右，錳含量1%左右，具有良好的綜合理學(xué)性能，焊接性能及冷變形性能。16MnL的抗拉強(qiáng)度極限為600 MPa，屈服極限為270 MPa，彈性模型為211 GPa，泊桑比為0.31,密度為7.87 kg/cm3。

1.3邊界模型

整體式驅(qū)動(dòng)橋殼的耦合關(guān)系如圖2所示。在驅(qū)動(dòng)橋殼兩端支撐端面中心位置的圓心處分別建立兩個(gè)參考點(diǎn)RP-1與RP-2，把兩個(gè)參考點(diǎn)分別與支撐端面中心外圓面所有節(jié)點(diǎn)耦合，關(guān)聯(lián)X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度；在板簧與驅(qū)動(dòng)橋殼連接處分別建立參考點(diǎn)RP-3與RP-4，分別與支撐面節(jié)點(diǎn)建立分布耦合約束；在驅(qū)動(dòng)橋殼X軸方向?qū)ΨQ面分別選擇上下共4個(gè)節(jié)點(diǎn)與RP-5建立剛性約束。

圖2耦合關(guān)系

約束的準(zhǔn)確施加將直接關(guān)系到模型計(jì)算結(jié)果的精確性，在對(duì)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行有限元分析時(shí)，根據(jù)國(guó)家汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T533-1999規(guī)定，驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)按簡(jiǎn)支梁的形式進(jìn)行剛度、強(qiáng)度與疲勞試驗(yàn)。在施加約束的過程中，要保證驅(qū)動(dòng)橋殼呈簡(jiǎn)支梁的形式，同時(shí)要是約束邊界不能出現(xiàn)不合理的高應(yīng)力區(qū)間[6]。位移邊界模型的施加包括以下幾種類型；

a）在驅(qū)動(dòng)橋殼兩支持端面所有節(jié)點(diǎn)上約束Y、Z方向的平動(dòng)自由度，在驅(qū)動(dòng)橋殼X方向?qū)ΨQ位置的最上端節(jié)點(diǎn)約束X方向平動(dòng)自由度，邊界模型如3所示。

b）在驅(qū)動(dòng)橋殼一側(cè)支撐端面中心位置約束外圓上所有節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度，在另一側(cè)支撐端面中心位置約束外圓上所有節(jié)點(diǎn)的Y、Z方向的平動(dòng)自由度，邊界模型如4所示。

c）在驅(qū)動(dòng)橋殼兩側(cè)支撐端面中心位置約束外圓上所有節(jié)點(diǎn)的Y、Z方向的平動(dòng)自由度，在驅(qū)動(dòng)橋殼X方向?qū)ΨQ位置的最上端節(jié)點(diǎn)約束X方向平動(dòng)自由度，邊界模型如5所示。

d)耦合約束：約束RP-1參考點(diǎn)的X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度，約束RP-2參考點(diǎn)的Y、Z方向的平動(dòng)自由度，在驅(qū)動(dòng)橋殼X方向?qū)ΨQ位置的最上端節(jié)點(diǎn)約束Z方向平動(dòng)自由度。邊界模型如6所示。

圖3位移邊界a

圖4位移邊界b

圖5位移邊界c

圖6位移邊界d

1.4載荷施加

整體式驅(qū)動(dòng)橋殼的受力如圖7所示。對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行靜力分析時(shí)，選擇車輪承受最大鉛垂力，當(dāng)汽車滿載并行使在不平的路面上，驅(qū)動(dòng)橋殼會(huì)受到?jīng)_擊載荷。驅(qū)動(dòng)橋殼鉛垂力計(jì)算公式如下：其中GG為質(zhì)心處滿載質(zhì)量；lh為質(zhì)心到后軸的距離；l為質(zhì)心到前軸距離；Gh為后軸地面對(duì)輪胎的支反力；g為非簧載質(zhì)量重量；Gz為簧載重量量；

圖7驅(qū)動(dòng)橋殼受力圖

H5G型重卡的載重為16～18 t，計(jì)算過程中忽略車輪、輪轂等非簧載質(zhì)量，動(dòng)載荷系數(shù)取2.5，板簧支座處施加最大鉛垂力78625N，載荷施加在參考點(diǎn)RP-3與RP-4上，方向?yàn)?Y軸。

1.5仿真分析

針對(duì)4種不同邊界位移模型，全部采用通用靜力分析步對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。圖8～15分別為4種不用邊界模型對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變圖形。表1為不同位移模型對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力及應(yīng)變值。

第一種約束方式本質(zhì)上時(shí)一種過約束，如圖8～9所示；由于在支撐端面上同時(shí)約束多個(gè)節(jié)點(diǎn)Y、Z方向的平動(dòng)自由度，疊加起來相當(dāng)于在支撐斷面附加約束3個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)自由度。因此通過計(jì)算后最大應(yīng)力為111.5 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.156 mm，彎曲變形遠(yuǎn)小于實(shí)際變形值，同時(shí)在斷面約束處會(huì)產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)域，這是進(jìn)行CAE分析及大多文獻(xiàn)常見的錯(cuò)誤。

第二種約束方案也會(huì)存在過約束現(xiàn)象，如圖10～11所示；疊加起來相當(dāng)于在支撐斷面附加約束3個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)自由度，但相對(duì)與第一種方案約束會(huì)有所放松。計(jì)算過程中由于一端完全固定，計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象，與實(shí)際試驗(yàn)情況不相符。其最大應(yīng)力為164.3 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.708 mm。

第3種約束方案具有第1、2種約束方案的優(yōu)點(diǎn)，接近車橋?qū)嶋H的工作狀態(tài)，但也存在過約束。計(jì)算結(jié)果符合對(duì)稱要求；支撐位置中心線外圓約束處的應(yīng)力值比實(shí)驗(yàn)值稍大一些，車橋的變形比實(shí)際小。其最大應(yīng)力為133.6 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.955 mm。應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D12～13所示。

第4種約束方案把支撐中心外圓上所有的節(jié)點(diǎn)都耦合到參考點(diǎn)上，用分布約束方法把主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)集合的X、Y、Z方向上的平動(dòng)連接起來，不存在過約束現(xiàn)象，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值最吻合。其最大應(yīng)力為133.6MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.156mm。應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D14～15所示。

圖8位移邊界a應(yīng)力

圖9位移邊界a應(yīng)變

圖10位移邊界b應(yīng)力

圖11位移邊界b應(yīng)變

圖12位移邊界c應(yīng)力

圖13位移邊界c應(yīng)變

圖14位移邊界d應(yīng)力

圖15位移邊界d應(yīng)變

表1不同位移邊界模型應(yīng)力應(yīng)變

2　模態(tài)分析

模態(tài)分析包括自由模態(tài)與約束模態(tài)，自由模態(tài)分析不需要考慮任何約束情況，得到是結(jié)構(gòu)本身的固有特性；約束模態(tài)是指在不同的位移邊界條件下對(duì)應(yīng)的振型；相對(duì)于自由模態(tài)，約束模態(tài)能夠反映結(jié)構(gòu)真實(shí)的震動(dòng)狀態(tài)[7-10]。針對(duì)4種不同的位移邊界模型，其對(duì)應(yīng)的一、二階振型如圖16～23所示；不同位移邊界模型的前10階頻率如表2所示。

表2不同位移邊界模型前10階模態(tài)（Hz）

從振型圖可以看出，不同的邊界模型的一階振型圖為Z方向上的一階彎曲，二階振型圖為Y方向上一階彎曲，變形趨勢(shì)一樣，但從表2中可以看出其對(duì)應(yīng)的頻率不相同。

圖16位移邊界a一階模態(tài)

圖17位移邊界a二階模態(tài)

圖18位移邊界b一階模態(tài)

圖19位移邊界b二階模態(tài)

圖20位移邊界c一階模態(tài)

圖21位移邊界c二階模態(tài)

圖22位移邊界d一階模態(tài)

圖23位移邊界d二階模態(tài)

3　結(jié)束語

本文對(duì)H5G型重卡整體式驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，建立其不同位移邊界條件的有限元模型。通過計(jì)算對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

(1）第一、二、三種約束方案都符合實(shí)驗(yàn)所要求的簡(jiǎn)支梁形式，但存在過約束現(xiàn)象，導(dǎo)致計(jì)算過程中最大應(yīng)力及變形與實(shí)際情況相比較大，其中第三種約束方案相對(duì)第一、二種約束方案較好。

(2）不同的位移邊界模型對(duì)應(yīng)的振型變化趨勢(shì)一樣，但相應(yīng)的頻率結(jié)果卻有較大差異，結(jié)構(gòu)模態(tài)不僅與結(jié)構(gòu)本身有關(guān)，還受到位移邊界條件的影響。

(3）耦合約束方法不存在過約束現(xiàn)象，可以處理復(fù)雜的邊界條件，適合驅(qū)動(dòng)橋的剛度、強(qiáng)度等分析計(jì)算，并且建模簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果精確，相對(duì)接觸約束計(jì)算經(jīng)濟(jì)性好，同時(shí)對(duì)網(wǎng)格沒有特殊要求，是整體式驅(qū)動(dòng)橋殼及其他部件分析時(shí)的首選邊界條件。

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（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Study on Integral Drive Axle Housing of H 5G Type Heavy Truck Based on Different Boundary Model

WANG Xiao-peng1,2,3,LIU Jian-jun1,2,CHEN Jian-jun3,WU Long1，2

(1.School of Mechanical&Electronic Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China; 2.Machinery Modern Design and Manufacturing Technology Research Center of Fujian Universities,Sanming 365004,China; 3.Sinotruk Fujian Haixi Automobile Co.,LTD Technology Center,Yongan 366000,China)

Drive axle housing is one of the key parts in vehicle running system.The function of housing is to absorbing load and transfermovement and power.In this paper,integral drive axle housing FEM model of H5G type heavy truck hasbuiltup by ABAQUSsoftware,and the stressand strain and structuralmodeswith four differentboundary conditionshas simulated and analyzed.The results showed that different constraints had a greateffect on analysis results.Restraint coupled distributed should be used as the first choice for displacement boundary condition of finite element analysis,because it not only high accuracy resultbutalso simple inmodeling and no special requirements for the localgrid.

drive axle housing;displacementboundary;finite element;ABAQUS

U 469.2

A

1673-4343（2015）06-0014-06

10．14098／j．cn35－1288／z．2015．06．004

2015-05-15

福建教育廳科技項(xiàng)目(JK2014048)

王孝鵬，男，山西運(yùn)城人，講師。主要研究方向：車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及控制。