驅動橋殼虛擬臺架仿真及輕量化優化

梁 誠，袁 劍，邾枝潤

(1.安徽理工大學 機械工程學院， 安徽 淮南 232001；2.安徽安凱福田曙光車橋有限公司，安徽 合肥 230051)

驅動橋殼是車輛的重要部件，是汽車上承受載荷和傳力的主要構件.它不僅可以支撐和保護主減速器、差速器和半軸，還可以控制左右驅動車輪的軸向相對固定位置，還能與汽車的從動橋一起支撐整個車架和車架上的各總成質量[1-2].文獻[3]利用Solidworks軟件建立橋殼3D模型，協同ANSYS Workbench仿真軟件，模擬驅動橋殼臺架試驗在滿足國家標準中規定的試驗工況下進行有限元分析，證明 3種厚度的橋殼都具有足夠的靜強度和剛度,疲勞壽命均達到國家標準；文獻[4]根據減薄后橋殼在臺架試驗時發生斷裂失效的情況,建立了橋殼的有限元模型,并進行靜力學分析和疲勞分析,得出橋殼應力集中點和橋殼實際斷裂位置一致的結論；文獻[5]采用拓撲優化的方法，對某重型車橋殼在設計工況下的靜強度性能進行有限元分析及輕量化設計，在滿足結構強度要求的情況下減輕了橋殼的質量；文獻[6]對橋殼過渡圓角半徑進行優化，提高橋殼疲勞壽命的同時，還保證了橋殼的靜強度、剛度符合國家標準；文獻[7]建立某重型汽車驅動橋橋殼有限元模型，采用Altair OptiStruct的拓撲優化技術，使橋殼應力分布更加均勻，同時也保證了橋殼質量的減少；文獻[8]對驅動橋殼在最大垂向力、最大牽引力、最大制動力、最大側向力4種工況下進行有限元分析，結果表明該驅動橋殼滿足強度和最大變形量的要求，為橋殼結構改進和優化設計提供了理論依據.

本文以某重型卡車的驅動橋殼作為研究對象，建立虛擬的試驗臺架，進行有限元分析，在保證橋殼應力分布均勻、合理的基礎上，進行優化設計，從而實現橋殼的輕量化.

1 驅動橋殼虛擬臺架的確定

1.1 驅動橋殼三維模型的建立

應用CATIA三維軟件建立模型時，考慮到橋殼整體和彈簧座鑄造而成，所以直接在橋殼基礎上添加彈簧座特征.另外在零件設計模塊，先建立半軸套管的模型，再進入裝配模塊，將橋殼主體和半軸套管裝配在一起，可得到橋殼整體模型，如圖1所示.

圖1 驅動橋殼CATIA三維模型Fig.1 CATIA 3D model of drive axle housing

1.2 驅動橋殼的網格劃分

將建立的橋殼三維模型導入到Hypermesh中進行幾何處理、簡化模型、拓撲改進等操作，然后進行網格的劃分[9].本文所研究的板簧座和后驅動橋殼本體采用二階四面體單元、半軸套管采用六面體單元來劃分網格.經過修改后，對其進行網格質量檢查.驅動橋殼單元劃分與驅動橋殼劃分后合格的模型如圖2所示.

圖2 驅動橋殼網格單元的劃分Fig.2 Grid of drive axle housing

驅動橋殼2D殼單元通過TetraMesh自動生成3D四面體單元，自動生成的四面體單元不能有零長度的單元.將橋殼一階四面體單元轉化成二階，旨在提高橋殼在應力強度分析時的計算精度[10].驅動橋殼的總成劃分網格單元的個數為1 144 520，網格節點數為240 965，得到的橋殼有限元模型如圖3所示.

圖3 驅動橋殼有限元模型Fig.3 Finite element model of drive axle housing

四面體橋殼網格模型劃分好之后，進行網格質量檢查，發現各項指標中合格單元所占的比率為100%，達到橋殼仿真和分析的要求.

1.3 驅動橋殼的材料屬性

在進行有限元分析時，由于驅動橋殼的結構較為復雜，因此將橋殼設為一個整體，對橋殼設置材料屬性.橋殼本體包括鋼板彈簧座、兩側肩部加強筋、橋殼后蓋和橋殼主體，材料均選用鑄鋼SCW550，橋殼半軸套管采用超高強度鋼42CrMo，橋殼組成的各部分材料屬性見表1.

表1 驅動橋殼的材料屬性

Tab.1 The material properties of drive axle housing

名稱材料屈服強度/MPa抗拉強度/MPa延伸率/%彈性模量/GPa泊松比密度/g·cm-3橋殼本體SCW550420570≥152120.317.85半軸套管42CrMo1 0471 134≥122100.287.82

1.4 驅動橋殼虛擬臺架的建立

驅動橋殼的材料屬性賦予完成后，下一步就是確定驅動橋殼的虛擬臺架試驗.橋殼模擬臺架試驗中，橋殼的邊界條件應盡可能和實際臺架試驗時保持一致.通過把半軸套管和殼體一體化后施加相應的約束和載荷，對兩個半軸套管施加約束，在板簧座上施加載荷，從而建立了驅動橋殼虛擬臺架的有限元模型，如圖4所示[11].

圖4 驅動橋殼虛擬臺架試驗有限元模型Fig.4 A finite element model for the virtual bench test of drive axle housing

2 驅動橋殼虛擬臺架試驗分析

2.1 驅動橋殼虛擬臺架試驗數據分析

通過CATIA建立驅動橋殼三維模型，利用Hyperworks對橋殼進行網格劃分、修改網格、檢查質量、生成3D單元以及橋殼材料屬性的施加，通過把半軸套管和殼體一體化后施加給定的約束和載荷建立驅動橋殼虛擬臺架試驗的有限元模型，導入到Optistruct中進行試驗分析，分析結果在Hyperview中顯現.

論文針對60組驅動橋殼仿真模型進行輕量化計算，經過前處理、計算以及后處理得出60組數據，分別為橋殼的位移(Displacement)、橋殼本體和半軸的應力(Force)、頻率(Frequence)、質量(Mass).其中一組分析結果如圖5所示.

(a)橋殼變形云圖 (b)橋殼應力云圖

(c)橋殼頻率響應云圖 (d)橋殼本體應力云圖圖5 驅動橋殼虛擬臺架試驗分析結果圖Fig.5 Analysis results of the virtual bench test of drive axle housing

2.2 驅動橋殼虛擬臺架試驗振動模態分析

分析輕量化后的前后橋殼低階振動模態頻率，將橋殼輕量化前的分析結果與輕量化后的前六階非剛體模態頻率進行對比，結果見表2.通過模態頻率對比可以看出，輕量化前后橋殼的模態頻率相對變化量不大，故滿足設計要求，分布合理.驅動橋殼輕量化前后的前兩階模態振型云圖如圖6所示.

表2 橋殼輕量化前后的模態頻率對比

Tab.2 Contrast of modal frequency before and after axle housing lightweight

模態階數輕量化前模態頻率/Hz輕量化后模態頻率/Hz相對變化量/Hz1155.0146.5-8.52311.9295.8-16.13389.5365.2-24.34546.2523.4-22.85631.3596.1-35.26795.4751.3-44.1

(a)輕量化前第1階模態 (b)輕量化后第1階模態

(c)輕量化前第2階模態 (d)輕量化后第2階模態圖6 橋殼輕量化前后模態振型云圖Fig.6 Modal vibration cloud diagram of drive axle housing before and after lightweight

3 驅動橋殼輕量化優化分析

3.1 Kriging近似模型尋優迭代

利用Kriging近似模型，通過計算結果和各樣本點構造近似模型，并隨機選取15個樣本點來驗證近似模型的精度.通過對比15個樣本點的預測值和實測值，構建出的散點圖如圖7所示.

(a) 位移近似模型誤差檢測 (b) 頻率近似模型誤差檢測

(c) 橋殼應力近似模型誤差檢測圖7 Kriging近似模型散點圖Fig.7 Scatter plot of Kriging approximation model

由圖7可以看出，點在y=x這條線附近分布，預測值和實際值相差不大，表明模型的擬合精度較高，近似模型效果較好.通過Kriging近似模型進行尋優迭代后，橋殼本體質量降低了11.48 kg，橋殼最低階模態頻率下降6.9%，達到了輕量化的效果.

3.2 輕量化前后剛度性能對比分析

為了達到國家橋殼臺架試驗標準的要求，需驗證輕量化后的橋殼彎曲剛度.對比分析橋殼輕量化前后的最大變形量，需選取最大靜應力工況，對比結果見表3.通過對比分析可以看出，橋殼輕量化前后的最大變形量相差0.065 mm，最大變形量相當于沒有發生變化，達到國家臺架試驗的要求，滿足國家臺架試驗的標準.橋殼輕量化前后在最大靜應力工況下的位移云圖如圖8所示.

表3 橋殼輕量化前后最大變形量對比

Tab.3 Comparison of the maximum deformation before and after lightweight mm

最大變形量輕量化前輕量化后相對變化量1.3651.430+0.065

(a)輕量化前 (b)輕量化后圖8 橋殼輕量化前后最大變形量云圖Fig.8 The maximum deformation of axle housing before and after lightweight

3.3 輕量化前后應力對比分析

為了滿足橋殼的應力、結構強度的要求，需對比分析驅動橋殼總成和本體的最大靜應力工況，結果見表4.橋殼總成和本體輕量化前后的最大靜應力工況云圖如圖9、圖10所示.

表4 橋殼輕量化前后最大靜應力對比結果

Tab.4 Comparison of the maximum static stress of driving axle housing before and after lightweight MPa

總成最大應力值本體最大應力值輕量化前輕量化后相對變化量輕量化前輕量化后相對變化量434.0462.1+28.1183.7177.6-6.1

(a)輕量化前 (b)輕量化后圖9 橋殼輕量化前后最大靜應力工況云圖Fig.9 The maximum static stress working conditions of the driving axle housing before and after lightweight

(a)輕量化前 (b)輕量化后圖10 橋殼本體輕量化前后最大靜應力工況云圖Fig.10 The maximum static stress working conditions of the driving axle housing body before and after lightweight

通過橋殼總成和本體輕量化前后的最大靜應力值對比結果可以看出，橋殼整體的最大靜應力值增加了28.1 MPa，但仍遠小于材料許用應力，滿足橋殼應力和強度的要求和標準.橋殼本體的最大靜應力值降低了6.1 MPa，說明優化后橋殼本體的應力分布更加均勻合理.

4 結束語

本文在虛擬臺架試驗的基礎上研究了驅動橋殼的結構及其輕量化，通過驅動橋殼虛擬臺架試驗有限元模型的分析，得出橋殼的應力、質量、位移變形量和頻率.結合Kriging近似模型和輕量化求解算法對橋殼本體壁厚、半軸套管壁厚和橋包壁厚進行了輕量化設計.仿真結果表明，優化后的橋殼各項性能均滿足設計要求，剛度、強度應力分布均勻，實現了橋殼的輕量化，并提升了橋殼性能.