基于Optistruct的某皮卡汽車后橋殼輕量化優化研究

摘要：【目的】為研究某新款皮卡汽車后橋殼的靜態特性及輕量化優化問題，【方法】采用有限元平臺仿真與臺架試驗結合的研究方法。首先，在Hypermesh軟件建立具有高計算精度的有限元模型；其次，使用ABAQUS仿真平臺分析了橋殼在滿載工況下的應力及位移，確定了危險截面位置；隨后，通過Optistruct優化模塊對橋殼和鋼板板簧座等零部件進行了尺寸優化；最后，通過垂直彎曲靜剛強度臺架試驗驗證了輕量化優化的可靠性。【結果】有限元分析結果表明，橋殼的危險截面位于鋼板板簧座與橋殼連接處，最大應力和變形量分別為307.20 MPa和1.440 mm。Optistruct尺寸優化后的橋殼重量由59.07 kg降低至52.55 kg，減重率11.04%。應力上升至310.10 MPa，但仍小于橋殼材料45鋼的屈服強度355.00 MPa，變形量小于標準1.400 mm。臺架試驗結果表明，橋殼通過垂直彎曲靜剛強度試驗，符合汽車驅動橋臺架試驗標準。【結論】所建立的有限元模型具有較高的準確性，仿真結果與臺架試驗結果高度接近。經Optistruct優化后的橋殼具有良好的力學行為表現，該模塊在橋殼輕量化優化方面具有較高的可靠性。

關鍵詞：驅動橋殼；有限元；尺寸優化；汽車輕量化；臺架試驗

中圖分類號：U463 文獻標志碼：A

本文引用格式：黃志超，王嘉璇，胡義華. 基于Optistruct的某皮卡汽車后橋殼輕量化優化研究[J]. 華東交通大學學報，2024，41（5）：10-17.

Research on the Lightweight Optimization of the Rear Axle

Housing of a Pickup Truck Based on Optistruct

Huang Zhichao1， Wang Jiaxuan1， Hu Yihua2

（1. State Key Laboratory of Performance Monitoring and Protecting of Rail Transit Infrastructure， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China; 2. Jiangxi Jiangling Chassis Co.， Ltd.， Fuzhou 344000， China）

Abstract： 【Objective】In order to investigate the static characteristics and lightweight optimization of the rear axle housing of a new pickup truck vehicle， 【Method】 a research method combining finite element platform simulation and bench testing was adopted. Firstly， a finite element model with high computational accuracy was established in Hypermesh software. Secondly， the stress and displacement of the axle shell under full load condition were analyzed using ABAQUS simulation platform， and the location of the dangerous cross-section was determined. Subsequently， the dimensional optimization of the axle shell and the steel plate spring seat and other components was carried out through Optistruct optimization module， and then the reliability of the lightweight optimization was verified through vertical bending static stiffness bench test. Finally， the reliability of lightweight optimization was verified by vertical bending static stiffness bench test. 【Result】Finite element analysis results show that the dangerous cross-section of the axle housing is located in the housing steel plate spring seat and housing connection with the maximum stress and deformation of 307.20 MPa and 1.440 mm. Size optimization of the axle housing weight decreases from 59.07 kg to 52.55 kg and the weight reduction rate is 11.04%. The stress rises to 310.10 MPa， but it is still less than the yield strength of 45 steel of the axle housing material， which is 355.00 MPa， and the deformation is less than the standard 1.400 mm. The results of the bench test show that the axle housing passes the vertical bending static stiffness test， and conforms to the standard of the automobile drive axle bench test. 【Conclusion】The established finite element model has high accuracy， and the simulation results are highly close to the results of the bench test. The axle housing optimized by Optistruct has good mechanical behavior performance， and the module has high reliability in axle housing lightweighting.

Key words： drive axle housing; finite element; dimensional optimization; automotive lightweighting; bench test

Citation format： HUANG Z C， WANG J X， HU Y H. Research on the lightweight optimization of the rear axle housing of a pickup truck based on Optistruct[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（5）： 10-17.

【研究意義】驅動橋輕量化是汽車工業中降低油耗、實現節能減排的主要措施之一，更是實現整車輕量化的重要途徑，對提高汽車的比功率以及經濟性有重大意義。

【研究進展】有限元軟件被廣泛應用于汽車零部件的力學性能校核中[1-3]。針對驅動橋殼的輕量化問題，國內外學者采用相關有限元軟件展開研究[4-9]。馮葉陶等[10]以拖拉機前驅動橋殼為對象進行輕量化研究，在橋殼強度和剛度有較大余量的條件下以橋殼質量、變形量最小為優化目標進行輕量化設計，優化后橋殼質量減輕7.7%。許文超等[11]為提高驅動橋殼的輕量化水平和道路行駛疲勞可靠性，對驅動橋殼進行6-Sigma穩健性多目標輕量化設計。林榮會等[12]針對某重型自卸車驅動橋橋殼輕量化研究過程中出現的橋殼可靠性不受控問題，提出了一種確定性優化與穩健性擇優相結合的輕量化研究方法。肖鴻飛等[13]基于仿生學理論對某型自卸車驅動橋殼后蓋進行輕量化設計，提高了多項橋殼設計參數，在提高零件質量的同時實現降重目標。孫遠敬等[14]通過Isight集成MATLAB建立了某礦用自卸車驅動橋殼在最大側向力工況下的近似數學模型，并利用人工蜂群算法對橋殼代理模型的迭代求解，實現橋殼體積減小18.75%以及等效應力下降7.23%的優化目標。現有研究均采用MATLAB、ABAQUS以及ANSYS等優化模塊。Optistruct作為功能強大的優化軟件，其應用范圍貫穿于工程技術設計的各個階段，當前采用該模塊進行驅動橋殼輕量化工作的研究較少。

【創新特色】本文在ABAQUS軟件中分別確定了驅動橋殼的最大應力和最大位移以及危險截面位置。基于Optistruct軟件對橋殼和鋼板板簧座等零部件進行了尺寸優化，隨后通過臺架試驗驗證了有限元分析結果。采用多個有限元軟件同臺架試驗相結合的研究方法確保該橋殼在設計階段具有良好的力學行為表現。【關鍵問題】驅動橋殼在滿載工況時符合垂直彎曲靜剛強度校核條件時，通過Optistruct軟件完成輕量化優化。

1 橋殼有限元模型

本文采用網格大小為2.0的直角三角形網格單元對殼單元進行劃分，以確保網格的準確性和計算效率。Hypermesh中，Qualityidex功能提供了對于網格質量的檢查及優化，建立了Ideal，Good，Warn，Fail，Worse共5個狀態下的評價指標，Ideal狀態下的檢查結果如圖1所示。

Hypermesh對網格的評價指標是多樣性的，主要通過評估最小尺寸、最大尺寸、縱橫比、扭曲度和雅可比矩陣來檢查網格質量。最小尺寸通常設置為2.0，最大尺寸設置為20.0。縱橫比對三維網格更重要，由單元尺寸在不同方向上的均勻性控制，通常設置為5。雅可比系數表示六面體網格偏離正六面體的程度，通常設置為0.6以提高網格質量。共劃分出313 861個節點，1 354 892個網格單元。深藍色的網格為理想狀態下網格，淺藍色則為良好狀態下網格，無紅色網格，即無失效網格。具體標準及各指標下的網格情況如表1所示。

如圖2所示，在板簧座中心處，減速器殼螺栓連接處采用RBE2剛性單元進行連接模擬。

新建主減速器殼材料QT450，橋殼及鋼板板簧座材料45鋼并設置屬性。材料的力學性能和屬性如表2和表3所示。

后橋作為一個復雜的裝配體，由眾多零部件構成，這些零部件在實際生產過程中需要通過多種連接方式，如焊接和螺栓連接等，以實現結構的整體性和功能性。在進行有限元計算時，為了提高計算效率，通常使用1D單元來模擬這些連接。有限元計算模型如圖3所示。

2 橋殼靜力學有限元分析

滿載工況如圖4所示，在橋殼的左右兩側鋼板板簧座處，施加了大小為22 785.00 N且方向垂直于該平面的力，為了實現有效的約束和力的傳遞，在左右兩側建立了1D-COUP_KIN單元，并通過SPC進行約束。左側的約束釋放了自由度2，4，即限制了沿X軸和Z軸方向的平動，以及沿Y軸和Z軸方向的轉動。而右側的約束釋放了自由度4，即限制了沿X軸，Y軸和Z軸方向的平動，以及沿X軸方向的轉動。

仿真結果如圖5所示，橋殼的最大Mises應力出現在右側鋼板板簧座處，為307.20 MPa，這一數值小于45鋼的屈服強度355.00 MPa。最大變形量為2.262 mm，根據行業標準《商用車驅動橋總成》（QC/T 533—2020）（下稱標準），在車橋滿載時，將變形量換算為每米輪距的變形量為1.440 mm。這一數值高于標準規定的1.400 mm，因此驅動橋殼垂直彎曲剛度有待進一步優化。

3 橋殼輕量化優化設計

輕量化設計工作的主要方向有3個，輕量化結構優化設計，輕量化材料，以及采用先進輕量化制造工藝，如自沖鉚接、激光焊接、一體式沖壓等[15]。采用Optistruct軟件中的尺寸優化方法，對橋殼這一驅動橋總成的主要支撐部件進行輕量化設計優化。尺寸優化的特點是在保持網格模型不變的前提下，通過調整三維模型的參數值來優化機械零部件的有限元模型相關尺寸參數，如板狀件的厚度、梁的橫截面尺寸等。這一優化策略旨在現有材料和制造條件下最大限度地提升驅動橋的輕量化程度。

驅動橋殼尺寸優化的相關參數如下：

1） 目標函數為

[V=minfx1，x2，x3] " " " "（1）

2） 約束條件為

[δ≤307.2 MPaY≤2.262 mm] " " " "（2）

3） 設計變量為

[5.5 mm≤x1≤9.0 mm6.0 mm≤x2≤8.0 mm3.5 mm≤x3≤4.0 mm] " " " "（3）

式中：V為驅動橋殼體積；δ為鋼板板簧座和軸管間的應力；Y為橋殼最大變形量；[x1]為鋼板板簧座厚度；[x2]為驅動橋殼厚度；[x3]為殼蓋厚度。

橋殼作為汽車驅動橋總成中最為關鍵的部件，其形狀復雜且承載著車身傳遞至驅動橋的載荷，在對其進行優化時需全面考慮多種影響因素。假設材料結構密度均勻，則驅動橋殼的質量與其體積成正比關系。基于這一假設，將體積最小化設定為本次優化設計的目標函數。同時設定收斂容差為0.5%，考慮到橋殼軸管及板簧座部分的質量在整體中占據較大比重，因此在選擇設計變量時，將鋼板板簧座的厚度、軸管的厚度以及殼蓋的厚度作為實現輕量化的設計變量。橋殼在滿載工況時的應力和變形量分別為307.2 MPa和2.262 mm，以該組數據作為強度約束和剛度約束的基準條件。

經尺寸優化計算得到的驅動橋殼厚度云如圖6所示，鋼板板簧座的厚度從初始的9 mm減小至5.611 mm，橋殼的厚度也從8 mm減小至6.188 mm，而殼蓋的厚度則從4 mm減少至3.882 mm。

利用Hypermesh軟件中的Mass calc模塊對驅動橋殼的質量進行了重新計算，結果顯示經過優化后橋殼的質量從59.07 kg降低至52.55 kg，實現了6.52 kg的減重，減重率高達11.04%，且在整個優化過程中，并未對驅動橋殼原結構進行改變，這證明此次輕量化優化設計達到設計目標。

4 橋殼優化后力學性能校核

為了確保驅動橋殼優化結果的可靠性，需進一步通過有限元計算進行強度和剛度驗證。

模擬結果如圖7所示，尺寸優化后的橋殼在滿載工況下，最高應力集中在板簧座和橋殼的連接處橋殼一側，最大應力數值從原始的307.20 MPa上升至310.10 Mpa。但依然低于橋殼材料45鋼的屈服強度355.00 MPa。位移數據表明，優化后的橋殼在滿載工況下最大變形量為2.111 mm。該汽車后軸輪距為1 570 mm，根據式（4）轉換為每米輪距最大變形量為1.345 mm。

[2.111÷1 570×1 000=1.345 mm] " " （4）

低于標準中規定的1.400 mm限制，因此優化后的橋殼通過剛強度校核。

5 臺架試驗

汽車在實際行駛過程中會經過各種不確定的路況，司機的駕駛不確定性也會給汽車帶來不同的載荷，橋殼也會承受著相應的斷裂風險，橋殼在經過有限元分析后還需通過臺架試驗才能進入整車路試環節。汽車行業驅動橋試驗嚴格遵循標準執行。

試驗平臺和試驗樣品的物理布局如圖8所示。在同一批次的樣品橋中隨機且無差別地選擇了3個作為試驗樣本，用于進行橋殼的靜強度和靜剛度臺架試驗，以1，2，3分別編號。

選用屏顯液壓脈動疲勞試驗機作為橋殼臺架試驗的主要設備，以板簧座中心作為施力點，以橋殼的輪距處作為支點。靜態垂直彎曲剛度試驗應從零負載到最大負載依次進行，數值從0加載到滿負荷軸向負荷的2.5倍。

在加載過程中，載荷從0逐漸增加到22 785 N，位移傳感器用于記錄測量點的數據，而應變傳感器用于記錄施加的載荷。

根據標準規定，橋殼靜強度試驗標準以靜強度后備系數[Kn]評定，[Kn]應滿足

[Kn=PnPgt;6] " " " " " " （5）

橋殼垂直彎曲剛強度實驗結果如表4所示，樣品橋殼的每米輪距最大變形量均小于1.400 mm，且后備系數均大于6，則試驗橋通過橋殼垂直彎曲剛強度臺架試驗。

6 結論

本文對某新款皮卡汽車的驅動橋殼采用多個有限元平臺仿真與臺架試驗相結合的研究方法校核了其在滿載工況下的力學性能，采用Optistruct平臺對其進行輕量化優化，得出以下結論。

1） 基于Hypermesh所建立的有限元前處理模型具有較高的計算精度，該橋殼危險截面位置位于鋼板板簧座下與橋殼連接處，優化前最大應力為307.20 MPa，小于45鋼的屈服強度355.00 MPa。最大變形量為2.262 mm，換算為每米輪距的變形量為1.440 mm，超過標準要求的不大于1.400 mm限定。

2） 經Optistruct尺寸優化后的橋殼質量從59.07 kg降低至52.55 kg，實現了6.52 kg的減重，減重率達11.04%，效果顯著。

3） 優化后橋殼通過有限元仿真校核，最大應力為310.10 PMa，每米輪距的最大變形量為1.345 mm，滿足標準規定。且進一步通過臺架試驗驗證，結果表示Optistruct優化平臺在驅動橋殼輕量化優化方面具有較高的可靠性。

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通信作者：黃志超（1971—），男，教授，博士，博士生導師，研究方向為板料連接。1992年本科畢業于江西工業大學，1995年碩士畢業于南昌大學，2003年博士畢業于南昌大學。E-mail： hzcosu@163.com。