基于AnsysWorkbench的汽車驅(qū)動(dòng)橋殼分析與優(yōu)化

鐘云耀

（茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 茂名 525000）

驅(qū)動(dòng)橋殼承受汽車大部分重量，承擔(dān)各種沖擊力和力矩，固定和保護(hù)驅(qū)動(dòng)橋殼內(nèi)的零部件如主減速器、差速器和半軸等[1]。驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度且質(zhì)量較小，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行應(yīng)力、變形分析及優(yōu)化，具有非常重要的意義。

過去進(jìn)行驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)時(shí)，往往采用類比方法，對(duì)已有產(chǎn)品加以改進(jìn)，然后進(jìn)行試驗(yàn)、試制造，這使得生產(chǎn)周期延長(zhǎng)、設(shè)計(jì)成本增加，而且生產(chǎn)出來的產(chǎn)品往往質(zhì)量過大[2]。

1 驅(qū)動(dòng)橋殼評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)橋橋殼垂直彎曲剛性試驗(yàn)評(píng)估指標(biāo)為：滿載軸荷時(shí)每米輪距最大變形不超過1.5mm，垂直彎曲靜強(qiáng)度試驗(yàn)評(píng)估指標(biāo)為[3]

式中：Kn為垂直彎曲破壞后備系數(shù)，Kn＞6為合格；Pn為垂直彎曲破壞荷載，N；P為滿載軸荷，N。而驅(qū)動(dòng)橋橋殼垂直彎曲失效載荷可用橋殼應(yīng)力值是否達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度極限值所對(duì)應(yīng)的載荷代替。因此式（1）可轉(zhuǎn)化為：

式中：σ為Kn=6時(shí)垂直載荷下橋殼彎曲應(yīng)力，Pa；σs為材料的屈服強(qiáng)度極限，Pa。

2 基于AnsysWorkbench的驅(qū)動(dòng)橋殼有限元靜力分析

驅(qū)動(dòng)橋殼基本尺寸參數(shù)如下：壁厚16mm，輪距1830mm，板簧距1040mm。在SiemensNX軟件中建立三維模型并導(dǎo)入AnsysWorkbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型，共生成25611個(gè)節(jié)點(diǎn)，12987個(gè)單元，如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型

施加滿載軸荷求解，得到橋殼的等效位移云圖和應(yīng)力云圖，如圖2和圖3所示。位移較大區(qū)域出現(xiàn)在兩板簧座之間區(qū)域，最大變形量為0.763mm每米輪距變形量為0.462mm，遠(yuǎn)小于1.5mm，橋殼滿足剛度要求。如圖3所示，應(yīng)力集中出現(xiàn)在半軸套管與橋殼本體連接處，最大應(yīng)力為82.435MPa，應(yīng)力較大區(qū)域位于半軸套管與橋殼本體連接處及板簧座和中間凸包之間的過渡區(qū)域，其他區(qū)域應(yīng)力較小。材料的屈服極限為610MPa，所以該驅(qū)動(dòng)橋殼的后備系數(shù)為Kn=7.3＞6。橋殼設(shè)計(jì)較保守，造成材料浪費(fèi)，可以在保證強(qiáng)度和剛度的條件下對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以減輕橋殼質(zhì)量。

圖2 等效位移云圖

圖3 應(yīng)力云圖

3 驅(qū)動(dòng)橋殼優(yōu)化

以橋殼厚度為變量參數(shù)，分別選取15mm，14mm和13mm為設(shè)計(jì)變量。經(jīng)AnsysWorkbench計(jì)算分析，質(zhì)量、最大應(yīng)力、變形量變化如圖4、圖5所示。隨著橋殼壁厚減小，橋殼質(zhì)量減輕，橋殼的最大等效位移增大，最大應(yīng)力也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，當(dāng)橋殼厚度為14mm時(shí)，其應(yīng)力分布云圖和等效位移云圖如圖6和圖7所示，Kn=6.154＞6，符合國(guó)標(biāo)要求，輕量化最優(yōu)。優(yōu)化后，質(zhì)量為126.44kg，減重11.8kg，達(dá)到輕量化效果。優(yōu)化前后具體比較見表1。

圖4 橋殼質(zhì)量、最大應(yīng)力和最大位移變化情況

圖5 橋殼質(zhì)量、最大應(yīng)力和最大位移變化關(guān)系

圖6 優(yōu)化后應(yīng)力云圖

圖7 優(yōu)化后等效位移云圖

表1 優(yōu)化前后的比較

4 結(jié) 語

基于有限元分析軟件AnsysWorkbench對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行了滿載軸荷下的垂直彎曲強(qiáng)度和剛度計(jì)算，通過對(duì)橋殼厚度進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果表明，優(yōu)化后該型驅(qū)動(dòng)橋殼重量減輕，且強(qiáng)度、剛度滿足要求，為汽車零部件的輕量化設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。