裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼有限元靜力學(xué)分析

唐恒 張青峰

摘 要：本文通過(guò)Proe軟件對(duì)裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼體進(jìn)行三維建模，借助ANSYS Workbench軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，得到此橋殼的等效應(yīng)力和變形分布情況，為下一步的橋殼改進(jìn)及優(yōu)化提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：裝載機(jī);驅(qū)動(dòng)橋;有限元;靜力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：TH243文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）20-0016-03

Abstract： This paper used Proe software to carry out three-dimensional modeling of the loader drive axle housing， and used ANSYS Workbench software to perform finite element static analysis on its structure， and obtained the equivalent stress and deformation distribution of the axle housing， which provided a basis for the next improvement and optimization of the axle housing.

Keywords： loader; drive axle; finite element; static analysis

驅(qū)動(dòng)橋橋殼是裝載機(jī)的主要零件之一，其功能是支撐并保護(hù)主減速器、差速器和半軸等傳動(dòng)件，使左右驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的軸向相對(duì)位置固定;同從動(dòng)橋一起支撐車(chē)架及其上的各總成重量;車(chē)輛行駛時(shí)，承受由車(chē)輪傳來(lái)的路面反作用力和力矩，并經(jīng)懸架傳給車(chē)架。因此，驅(qū)動(dòng)橋殼的性能直接影響汽車(chē)的有效使用壽命[1-3]。合理地設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋殼，使其具有足夠的強(qiáng)度、剛度是非常必要的。

驅(qū)動(dòng)橋殼的常規(guī)設(shè)計(jì)方法是將橋殼看成一個(gè)簡(jiǎn)支梁并校核幾種典型計(jì)算工況下某些特定斷面的最大應(yīng)力值，然后考慮一個(gè)安全系數(shù)來(lái)確定工作應(yīng)力，這種設(shè)計(jì)方法有很多局限性[4]。近年來(lái)，隨著計(jì)算軟件的發(fā)展及普及，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始利用有限元軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行計(jì)算和分析。本文運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對(duì)裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼體進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，為下一步驅(qū)動(dòng)橋殼的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 建立驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)有限元模型

本文以某裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋?yàn)槔?，首先采用Proe軟件建立了驅(qū)動(dòng)橋殼體的三維模型。三維建模時(shí)，在保證殼體分析精度的前提下，對(duì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，例如，將模型中小的倒角、螺紋、裝配孔等不影響結(jié)構(gòu)受力的小特征隱藏或刪除，以便于模型的后續(xù)處理及分析。然后，將三維模型導(dǎo)入Ansys Workbench中對(duì)模型進(jìn)行處理（見(jiàn)圖1）和分析。

從受力性能及經(jīng)濟(jì)性考慮，裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼的材料主要為鑄鐵材料，而兩端安裝車(chē)輪的支撐軸一般選用合金鋼材料。本文中的驅(qū)動(dòng)橋中間殼體材料為球鐵QT500-7，左右兩端支撐軸材料為42CrMo，具體材料屬性如表1所示。

驅(qū)動(dòng)橋殼體各零件間采用螺栓連接，在模型處理時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)橋殼體各零件接觸面之間相對(duì)固定，不允許出現(xiàn)相對(duì)移動(dòng)，因此各零件接觸面之間采用計(jì)算較為簡(jiǎn)單的bonded方式連接。零件之間連接螺栓的強(qiáng)度需要單獨(dú)校核，本文不做論述。

殼體的網(wǎng)格劃分利用Ansys Workbench軟件自帶的功能。在劃分網(wǎng)格時(shí)，兩端支撐軸為規(guī)則的旋轉(zhuǎn)件，選用六面體網(wǎng)格的方式劃分，中間橋殼和托架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不規(guī)則，所以按照四面體網(wǎng)格的方式劃分[5]?？傮w網(wǎng)格尺寸控制在15 mm，為了提高計(jì)算精度，對(duì)各接觸面的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，尺寸控制在12 mm。劃分后，共得到1 602 128個(gè)節(jié)點(diǎn)和985 778個(gè)單元，網(wǎng)格模型如圖2所示。

2 約束和加載

2.1 模型的邊界約束

本文按照《工程機(jī)械 驅(qū)動(dòng)橋 試驗(yàn)方法》（JB/T 5928—2014）規(guī)定，驅(qū)動(dòng)橋殼垂直彎曲靜剛（強(qiáng)）度臺(tái)架試驗(yàn)在兩端輪距處選用鉸接支點(diǎn)。有限元模型在左、右支撐軸位置采用單點(diǎn)約束，約束點(diǎn)與花鍵軸表面采用剛性單元連接，約束點(diǎn)的位置在驅(qū)動(dòng)橋左、右兩側(cè)輪胎中心面（該橋左右車(chē)輪的輪距為2 460 mm）與車(chē)橋中心軸的交點(diǎn)處（A、B）。在約束時(shí)，約束左端點(diǎn)（A）三向平動(dòng)和繞驅(qū)動(dòng)橋殼軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)（DxyzRy），右端點(diǎn)（B）只約束兩向平動(dòng)，放開(kāi)驅(qū)動(dòng)橋軸線方向平動(dòng)（Dxz）。選擇驅(qū)動(dòng)橋殼與車(chē)架之間的連接面作為加載面，加載方向垂直向下，如圖3所示。

2.2 加載力的計(jì)算

本文主要參考《工程機(jī)械 驅(qū)動(dòng)橋 試驗(yàn)方法》（JB/T 5928—2014）和《工程機(jī)械 驅(qū)動(dòng)橋 技術(shù)條件》（JB/T 8816—2015）中關(guān)于驅(qū)動(dòng)橋殼的技術(shù)試驗(yàn)條件，特制定以下驅(qū)動(dòng)橋殼靜力學(xué)分析的工況，如表2所示。

3 計(jì)算的結(jié)果

3.1 驅(qū)動(dòng)橋殼垂直剛度的計(jì)算結(jié)果

《工程機(jī)械 驅(qū)動(dòng)橋 技術(shù)條件》（JB/T 8816—2015）規(guī)定，按3倍額定橋荷加載時(shí)，每米輪距彈性變形不超過(guò)1.5 mm。這時(shí)的位移云圖如圖4所示，圖片是放大50倍后的顯示效果。

由圖4可以得出，橋殼在3倍橋荷下總的變形量為3.45 mm，該橋左、右輪距為2 460 mm，經(jīng)計(jì)算，該橋殼的剛度為1.4 mm/m，符合《工程機(jī)械 驅(qū)動(dòng)橋 技術(shù)條件》（JB/T 8816—2015）中對(duì)橋殼剛度的規(guī)定，該橋殼的剛度設(shè)計(jì)滿足要求。

3.2 驅(qū)動(dòng)橋殼垂直靜強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果

在加載6倍橋荷的條件下對(duì)該橋殼的將強(qiáng)度進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖5至圖7所示。

從圖5應(yīng)力分布云圖來(lái)看，該橋殼在多個(gè)區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力值超出材料的屈服極限320 MPa。從圖6橋殼的變形云圖可以得出，橋殼的截面上半部分主要承受彎曲壓應(yīng)力。除去兩面接觸面處應(yīng)力集中點(diǎn)外，殼體最大應(yīng)力值出現(xiàn)在距離橋殼中心365 mm附近的截面的上部壓應(yīng)力區(qū)，最大應(yīng)力值保持在558.4 MPa左右，區(qū)域?yàn)闄M條狀，沒(méi)有穿透橋殼本體。雖然鑄鐵材料的抗壓強(qiáng)度大于屈服強(qiáng)度[6]，但是此處壓應(yīng)力已接近材料屈服強(qiáng)度的2倍，所以此處為危險(xiǎn)點(diǎn)。

截面下部最大應(yīng)力值達(dá)到386.7 MPa，由于下表面主要承受彎曲拉應(yīng)力，此處應(yīng)力超出材料的屈服極限，該截面下半部同樣為危險(xiǎn)截面。

分析發(fā)現(xiàn)，在該橋殼加載6倍橋荷的條件下，距離橋殼中心左、右兩側(cè)365 mm的截面處的拉應(yīng)力及應(yīng)力均超出材料的屈服極限。在實(shí)際工況中，該危險(xiǎn)區(qū)域很可能成為殼體發(fā)生損毀的源頭，在后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)需要在此區(qū)域?qū)驓みM(jìn)行加強(qiáng)，然后再度進(jìn)行校核，直至危險(xiǎn)區(qū)域消失。

4 結(jié)論

本文研究了如何運(yùn)用Ansys Workbench軟件對(duì)裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋的剛度及強(qiáng)度進(jìn)行靜力學(xué)分析。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《工程機(jī)械 驅(qū)動(dòng)橋 技術(shù)條件》（JB/T 8816—2015）中關(guān)于橋殼剛度校核的規(guī)定，結(jié)合橋殼剛度有限元分析結(jié)果，得出所設(shè)計(jì)的橋殼滿足靜力學(xué)剛度設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)橋殼的強(qiáng)度進(jìn)行校核，筆者發(fā)現(xiàn)該橋殼在中心面兩側(cè)區(qū)域存在危險(xiǎn)區(qū)域，后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)該危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)處理。

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