基于有限元分析及理論計算的驅(qū)動橋軸頭改進(jìn)設(shè)計

曹艷子 劉娟娟 李旭明 李靈亮

摘 要：文章主要介紹了某驅(qū)動橋焊接軸頭開裂的改進(jìn)設(shè)計過程。開裂位置為橋殼中段與軸頭焊接處。通過分析討論確定為軸頭與中段焊接處壁厚較小且截面變化較大引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致焊接處剪切應(yīng)力過大引起的開裂現(xiàn)象。改進(jìn)方法為加大焊接處壁厚及將過渡處改為平緩結(jié)構(gòu)。最后，通過Hyper mesh分析改進(jìn)方案前后軸頭焊接處應(yīng)力，并根據(jù)第4強(qiáng)度理論對危險截面進(jìn)行應(yīng)力計算，對比現(xiàn)有定型產(chǎn)品，最終確定改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：Hyper mesh分析;結(jié)構(gòu)設(shè)計;強(qiáng)度校核

中圖分類號：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）04-87-03

Automobile Driving Axles Shaft Head Optimize based on Finite ElementAnalysis and Theoretical Calculation

Cao Yanzi， Liu Juanjuan， Li Xuming， Li Lingliang

（?Shanxi Hande Axle Co.， Ltd.， Shaanxi Xian 710201?）

Abstract：?This paper mainly introduces the improved design process of a drive axle welded axle head cracking. The cracking position is the welding place between the middle part of the brige shell and the axle head.?Through analysis and discussing， it was determined that the wall thickness at the welding of shaft head and middle section was small and the change of section at the cracking site was large， which caused stress concentration and resulted in the cracking phenomenon caused by excessive shear stress at the welding site.?The improved method is to increase the wall thickness at the welding place and change the transition place into flat structure.?Finally， Hypermesh was used to analyze the stress at the welding of the axle head of the model before and after the improved scheme， and the stress calculation and comparison of the dangerous section were conducted according to the fourth strength theory， and the improved scheme was finally determined.

Keywords： Hyper mesh analysis;?Tructure design;?Intensity checking

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）04-87-03

前言

某驅(qū)動橋在使用過程中出現(xiàn)橋殼開裂現(xiàn)象，開裂位置在驅(qū)動橋橋殼中段與軸頭焊接位置附近，經(jīng)過分析判斷，軸頭與橋殼焊接處截面過渡不夠平緩造成局部應(yīng)力集中是引起開裂的主要原因。為快速準(zhǔn)確的優(yōu)化設(shè)計，現(xiàn)通過理論計算與有限元分析相結(jié)合，對焊接處的橋殼應(yīng)力進(jìn)行計算分析，并對比現(xiàn)有大批量銷售產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)確定改進(jìn)方案。

橋殼開裂實(shí)物如圖1所示，圖1（a）（b）為貫通驅(qū)動橋開裂截圖，如圖所示，開裂位置均在軸頭與橋殼中段焊接位置附近（即焊縫熱影響區(qū)）。

1 理論計算校核

1.1?設(shè)計輸入

（1）現(xiàn)有25t定型產(chǎn)品輪距L為2252，兩端軸頭焊接距離S為1590。某驅(qū)動橋的滿載載荷G為30t，輪距L為2452，兩端軸頭焊接距離S為1856。根據(jù)分析原因，主要改進(jìn)方向有兩點(diǎn)：一是加大軸頭與橋殼中段焊縫結(jié)構(gòu)尺寸;二是更改橋殼中段與軸頭焊接處的截面過渡結(jié)構(gòu)，使焊縫與橋殼中段截面過渡平緩，降低應(yīng)力集中帶來的影響。橋殼現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案見圖2。

根據(jù)車輛使用工況取2.5倍的安全系數(shù)計算垂向載荷下焊縫處的應(yīng)力。

焊縫處彎矩為：

焊縫處截面為環(huán)形截面，抗彎截面系數(shù)為：

則焊縫處應(yīng)力：

根據(jù)公式（1）～（3）計算的各個方案焊縫處應(yīng)力值如表1所示：

2 有限元分析校核

對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及各改進(jìn)結(jié)構(gòu)分別建立有限元分析模型，采用車輛前進(jìn)坐標(biāo)系，x軸指向車輛前進(jìn)方向，y軸指向前進(jìn)方向的左側(cè)，z軸豎直向上。采用mm，s，t有限元常用單位制。采用四面體單元劃分實(shí)體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為6。在鋼板彈簧座中心處分別施加載荷（Z方向載荷）;在左側(cè)車輪中心處施加約束（第1、3、5、6自由度），并在右側(cè)車輪中心施加約束（第1、3、5、6自由度）。橋殼中段及軸頭的材料屬性如表2所示：

根據(jù)額定軸荷計算2.5倍垂向工況下的橋殼受力為：

根據(jù)公式（4）計算：

開裂驅(qū)動橋30t橋殼受力：

現(xiàn)有定型產(chǎn)品25t橋殼受力：

加載后模型如圖3所示：

運(yùn)行加載后模型得到有限元分析應(yīng)力云圖，如圖4所示：

對比表1及圖4應(yīng)力值可以看出根據(jù)強(qiáng)度理論計算出的焊縫應(yīng)力值與有限元分析得出的焊縫應(yīng)力值大小相當(dāng)，均可作為焊縫應(yīng)力計算結(jié)果。

3 結(jié)論

綜上所述：

（1）根據(jù)理論計算結(jié)果及有限元分析結(jié)構(gòu)均可看出改進(jìn)方案二中焊縫應(yīng)力最小，相比改進(jìn)之前，焊縫應(yīng)力減小了約38%。

（2）根據(jù)計算結(jié)果和應(yīng)力云圖可以看出改進(jìn)方案2軸頭焊縫處應(yīng)力均小于現(xiàn)有已經(jīng)大批量銷售的定型產(chǎn)品。

（3）橋殼母材的的許用應(yīng)力270MPa，取安全系數(shù)1.8，則焊縫處許用應(yīng)力[σ]=180MPa，可以看出改進(jìn)方案理論計算

及有限元分析焊接處應(yīng)力均滿足整橋載荷需求，則方案二為最終改進(jìn)方案。

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