基于HyperWorks的平衡軸軸殼有限元分析

楊毅

（安徽安凱金達(dá)機(jī)械制造有限公司，合肥 230051）

基于HyperWorks的平衡軸軸殼有限元分析

楊毅

（安徽安凱金達(dá)機(jī)械制造有限公司，合肥 230051）

平衡軸總成作為重型卡車關(guān)鍵零部件，在整車中傳遞較大的載荷。由于超載和使用環(huán)境較差，導(dǎo)致平衡軸總成上的軸殼開裂。通過三維建模后，使用HyperWorks軟件對軸殼進(jìn)行有限元分析，通過分析結(jié)果和市場故障對比，尋找一種有效可靠的有限元分析方法。該方法對可指導(dǎo)軸殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計并縮短整車開發(fā)周期。

軸殼；三維建模；有限元分析；優(yōu)化

0 引 言

平衡軸總成作為重型卡車關(guān)鍵零部件，傳遞著并平衡中橋和后橋之間的載荷，目前平衡軸總成上的軸殼開裂故障率比較高，尤其是在礦山上使用的8×4自卸車，由于路況差、超載嚴(yán)重，極易引起軸殼開裂。國內(nèi)各商用車廠家在整車開發(fā)中尤為重視平衡軸總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計。以往驗證軸殼的設(shè)計強(qiáng)度是否合格，通常通過試驗場強(qiáng)化路測速和市場驗證兩種方法，整個驗證周期長，驗證費(fèi)用巨大。目前可通過CAE軟件對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，驗證并優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，可以大大縮短整車開發(fā)周期。

1 平衡軸軸殼以往市場的失效模式

平衡軸軸殼的常見故障為開裂如圖1，該平衡軸軸殼使用在8×4自卸車上，核定的載重不超過60 t。但是通過市場調(diào)查，由于該類車使用環(huán)境特殊，整車滿載工況下普遍在80 t以上，尤其是在裝載砂石、鐵礦等高密度貨物時載荷超過100 t，在路況較差的礦山上行駛時，平衡軸軸殼將承受2倍以上的沖擊載荷，該種工況下驗證軸殼的設(shè)計有效性尤為必要。

圖1 平衡軸軸殼的開裂故障

圖2 平衡軸軸殼實體三維模型

2 模型建立

圖3 平衡軸總成

使用UG NX 8.5軟件能快速有效地建立平衡軸軸殼三維模型如圖2，并使用該軟件對小特征進(jìn)行處理。為了提高平衡軸軸殼的CAE分析精度，將平衡軸軸殼放置在平衡軸總成上分析，軸殼與總成的關(guān)系如圖3。

3 受力分析

平衡軸總成是保證車輪（或車橋）與汽車車架之間具有彈性聯(lián)系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動以及調(diào)節(jié)汽車行駛中的車身位置等有關(guān)裝置的系統(tǒng)，其在整車中的結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 平衡軸在整車中的結(jié)構(gòu)位置

平衡軸支架與車架相連，平衡軸支架與軸殼之間通過芯軸連接，板簧兩端固定在中橋和后橋上，中間部分通過騎馬螺栓固定在軸殼上，整車載荷通過平衡軸支架、芯軸、軸殼板簧傳遞到中后橋上。

因此簡化模型后可得到平衡軸受力圖如圖5，G1和G2是整車分布在后橋上的載荷，F(xiàn)1、F2、F3、F4是輪胎等連接機(jī)構(gòu)通過騎馬螺栓傳遞給平衡軸軸殼的力，做靜力分析時各力存在以下關(guān)系：G1=G2;F1=F2=F3=F4，且G1+G2=F1+F2+F3+F4。

圖5 平衡軸懸掛有限元模型

4 有限元分析

4.1 有限元模型

為有效模擬平衡軸軸殼受力特點需進(jìn)行平衡軸總成整體建模，建立的有限元模型中有平衡軸支架、平衡軸軸殼，芯軸采用四面體單元，省略板簧、中后橋、騎馬螺栓等原件，在平衡軸軸殼騎馬螺栓孔圓心處建立單點約束，限制X、Y、Z方向的平移和轉(zhuǎn)動自由度，整車載荷用集中質(zhì)量點表示，載荷點通過RBE2均勻分布到支架上平面中，如圖6所示。

圖6 CAE分析模型

4.2 工況設(shè)置

平衡軸支架使用材料為QT500-7，平衡軸支架軸殼材料為ZG310-250;芯軸材質(zhì)為42CrMo，具體參數(shù)如表1。

表1 平衡軸懸掛有限元分析材料屬性表

4.3 邊界條件

表2 工況設(shè)置

沖擊工況的設(shè)置如表2所示。8×4礦用自卸車超載載荷在100 t，一般中后橋承載70%的整車載荷，所以質(zhì)量點的載荷為70 t。沖擊工況：Z向加載-2.5倍重力加速度。根據(jù)軸斷裂情況，重點考察圖7重要區(qū)域的應(yīng)力情況。

4.4 分析結(jié)果

由于連接引起的騎馬螺栓孔孔周應(yīng)力失真不予考慮，位置1、位置2處最大應(yīng)力值為328 MPa，從應(yīng)力云圖分析可得裂縫從減重孔處滋生，在長期的疲勞中，裂縫沿著圖中紅色區(qū)域長大，軸殼采用ZG310-570材料，當(dāng)裂紋超過極限值時，在凹坑路況下承受瞬間沖擊力時可使其斷裂。

圖7 重點考察支架區(qū)域位置

圖8 70t沖擊工況Mises應(yīng)力圖

5 結(jié) 論

使用UG NX8.5軟件建立的軸殼三維模型和受力分析有限元模型，通過靜剛度分析，軸殼實際使用故障模式與分析結(jié)果基本吻合，說明本模型建立有效，可指導(dǎo)其他平衡軸軸殼產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)，避免明顯的設(shè)計缺陷，提高設(shè)計效率。

在殼體與騎馬螺栓孔過渡處存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，分析最大值已經(jīng)超過材料的屈服強(qiáng)度，易成為疲勞源，在加上軸殼鑄造加工等造成的產(chǎn)品瑕疵，在市場使用過程極易造成開裂故障，建議加大過渡處圓角以降低應(yīng)力，同時需嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程。

[1] 李志尊,韓鳳起,楊振軍,等.UGNX7.5基礎(chǔ)應(yīng)用與范例解析[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2] 王鈺棟,金磊,洪清泉.HyperMeshandHyperView應(yīng)用技巧與高級實例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[3] 谷雪松.商用車平衡軸殼有限元分析[J].汽車實用技術(shù),2010(4):19-20.

[4] 江軍，陳金岳.基于HyperWorks的平衡軸有限元分析[J].機(jī)械工程師,2015(12):187-189.

TP 391.7

A

1002－2333（2018）01－0171－02

（編輯立 明）

楊毅（1964—），男，高級工程師，從事客車焊接構(gòu)件、客車艙門、平衡懸架、翻轉(zhuǎn)懸架、農(nóng)業(yè)機(jī)械成套設(shè)備設(shè)計開發(fā)指導(dǎo)工作。

2017-03-27