桑 楠

(常州工學(xué)院,江蘇常州 213002)

0 引 言

汽車驅(qū)動橋殼是汽車的主要承載件,與從動橋共同支承車架及其上的各總成重量(簧載質(zhì)量),承受由車輪傳來的路面反作用力和力矩。驅(qū)動橋殼又是主減速器、差速器及驅(qū)動車輪傳動裝置的外殼。因而驅(qū)動橋殼應(yīng)具有足夠強(qiáng)度和剛度,便于主減速器的拆裝和調(diào)整。驅(qū)動橋殼設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足應(yīng)力和變形要求,避免因局部應(yīng)力集中導(dǎo)致橋殼的斷裂或塑性變形。因此,對驅(qū)動橋殼進(jìn)行應(yīng)力、變形分析,提高工作可靠性具有非常重要的意義。但汽車驅(qū)動橋殼形狀復(fù)雜,且汽車的行駛條件千變?nèi)f化,利用傳統(tǒng)方法很難精確計(jì)算橋殼各處的應(yīng)力及變形大小。然而,利用有限單元方法對其進(jìn)行計(jì)算和分析可以得到較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。ABAQUS是一款功能強(qiáng)大的有限元分析軟件,可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng),特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場的分析,同時(shí),還可以做復(fù)雜系統(tǒng)級的分析和研究。因此,被廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域。文中運(yùn)用ABAQUS分析結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),所研究的對象是在某型號面包車上使用的組合式橋殼。

1 驅(qū)動橋殼強(qiáng)度的理論分析計(jì)算

在傳統(tǒng)的理論計(jì)算中,將驅(qū)動橋殼視為一空心橫梁,兩端經(jīng)輪轂軸承支撐于車輪上,在鋼板彈簧座處橋殼承受汽車的簧載質(zhì)量,而沿左右輪胎中心線,地面給輪胎以反力,受力如圖1所示[1-2]。

圖1 驅(qū)動橋殼的受力簡圖

文獻(xiàn)[1-2]把橋殼強(qiáng)度計(jì)算簡化為3種載荷工況,只要在這3種載荷計(jì)算工況下橋殼的強(qiáng)度得到保證,就認(rèn)為該橋殼在汽車行駛條件下是可靠的。

(1)縱向力FX2最大,側(cè)向力FY2=0,板簧座處彎曲應(yīng)力σ和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τ(危險(xiǎn)斷面為矩形斷面)分別為:

式中:MV垂直力FZ2在垂直平面的彎矩,,其中,b為輪胎中心平面到板簧座之間的橫向距離,m2為負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù),G2為汽車總重在驅(qū)動輪上的靜負(fù)荷;

Mh水平力FX2在水平面內(nèi)引起的彎矩,Mh=FX2b;

Tr水平力FX2在危險(xiǎn)斷面所引起的扭矩

WT危險(xiǎn)斷面抗扭截面系數(shù)。危險(xiǎn)截面為圓形斷面,抗彎截面系數(shù)為W,彎扭合成應(yīng)力σh為:

(2)側(cè)向力FY2最大,FX2=0時(shí),橋殼內(nèi)、外板簧座處斷面的彎曲應(yīng)力σi,σo之間的關(guān)系分別為:

式中:FZ2i,FZ2o分別為內(nèi)外車輪所受垂直反力;

rr車輪半徑。

(3)當(dāng)汽車通過不平路面時(shí),危險(xiǎn)斷面的彎曲應(yīng)力為:

上述傳統(tǒng)計(jì)算方法對于結(jié)構(gòu)簡單、形狀規(guī)則的構(gòu)件能夠得到較為精確的結(jié)果。但對于汽車驅(qū)動橋殼來講,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各斷面形狀差異較大,采用上述計(jì)算方法不能完全反映橋殼各處的應(yīng)力與應(yīng)變情況,特別是橋殼應(yīng)力集中的地方無法反映其真實(shí)的應(yīng)力數(shù)值。而在實(shí)際使用中,橋殼的破壞通常是從應(yīng)力集中的地方開始的,為避免此情況發(fā)生,設(shè)計(jì)者往往采用加大零件的尺寸來保證。而使用有限元法對驅(qū)動橋殼進(jìn)行強(qiáng)度分析,只要計(jì)算模型簡化得當(dāng),受力約束處理合理,就可以得到比較詳細(xì)的應(yīng)力與變形的分布情況,這些都是上述傳統(tǒng)計(jì)算方法所難以辦到的。

2 橋殼ABAQUS有限元分析模型

文中分析的模型為國內(nèi)某汽車公司生產(chǎn)的微型面包車。原設(shè)計(jì)方案在實(shí)際使用中橋殼鼓包處出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,因此,在改進(jìn)設(shè)計(jì)中進(jìn)行了3種方案的對比分析。方案1:原車狀態(tài);方案2:橋殼鼓包處增加加強(qiáng)板;方案3:橋殼鼓包及橋殼圓管均增加壁厚1 mm。

2.1 建立ABAQUS有限元模型

有限元分析結(jié)果可信度的高低直接受分析模型、載荷處理、約束條件和實(shí)際工程結(jié)構(gòu)力學(xué)特性符合程度的影響,建立有限元分析模型時(shí)既要如實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的重要力學(xué)特性,又要盡量采用較少的單元和簡單的單元形態(tài),以保證較高的計(jì)算精度及縮小解題規(guī)模[3]。

驅(qū)動橋殼Pro/E三維模型如圖2所示。

圖2 驅(qū)動橋殼Pro/E三維模型

由于汽車零部件結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜,包含許多復(fù)雜曲面,而一般有限元軟件所提供的幾何建模工具功能相當(dāng)有限,難以快速方便地對其建模。因此,文中采用先用Pro/E建立三維模型(見圖2,在進(jìn)行有限元分析時(shí)為減少計(jì)算量進(jìn)行了必要的簡化),再導(dǎo)入ABAQUS中的建模方法。在Pro/E中可以方便快捷地建立結(jié)構(gòu)模型,導(dǎo)入ABAQUS時(shí),利用ABAQUS的模型修復(fù)功能,消除幾何模型中可能存在的如自由邊、小平面、小尖角、微小縫隙等幾何缺陷。這樣采用Pro/E和ABAQUS相結(jié)合的建模方法,可以得到較為精確的幾何模型。一般來說,橋殼的ABAQUS模型在整個(gè)有限元求解過程中,最重要的環(huán)節(jié)是有限元前處理模型的建立。這一般包括幾何建模、定義材料屬性和實(shí)常數(shù)(要根據(jù)單元的幾何特性來設(shè)置,有些單元沒有實(shí)常數(shù))、定義單元類型,網(wǎng)格劃分、添加約束與載荷等。

網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞直接影響求解精度和求解時(shí)間,不合理的網(wǎng)格甚至?xí)?dǎo)致求解過程的中斷,所以網(wǎng)格劃分應(yīng)該是分析過程中需要重點(diǎn)注意的一個(gè)環(huán)節(jié)[4-5]。運(yùn)用ABAQUS強(qiáng)大而便捷的網(wǎng)格劃分功能,通過在模型上設(shè)置全局種子的方法合理地控制網(wǎng)格密度。將形狀不規(guī)則的橋殼幾何模型分割成幾個(gè)形狀規(guī)則的幾何體,運(yùn)用結(jié)構(gòu)化和掃掠的網(wǎng)格劃分方法,這樣就可以采用六面體單元得到規(guī)則和合理的網(wǎng)格。ABAQUS提供了數(shù)量眾多的單元種類以滿足各種分析類型的需要,文中采用C3D8R單元[6],即實(shí)體三維八節(jié)點(diǎn)六面體線性縮減積分單元。C3D8R單元的求解結(jié)果較精確,而且當(dāng)網(wǎng)格存在扭曲變形時(shí)分析精度不會受到大的影響。

方案1、方案2和方案3的有限元分析模型分別如圖3～圖5所示。

圖3 方案1有限元分析模型

圖4 方案2有限元分析模型

圖5 方案3有限元分析模型

2.2 載荷與邊界條件

邊界約束條件施加是否合理直接影響到分析結(jié)果的正確性和合理性。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)承受滿載軸荷時(shí),橋殼最大變形量不能超過1.5 mm/m;承受2.5倍滿載軸荷時(shí),橋殼不能出現(xiàn)斷裂和塑性變形。所以根據(jù)計(jì)算在板簧處分別加650 kg垂直載荷,兩端軸承座中心保持鉸接狀態(tài)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

文中所分析橋殼的材料屈服限為245 MPa,在2.5倍滿載軸荷時(shí),橋殼不能出現(xiàn)斷裂和塑性變形。其分析結(jié)果見表1。

表1 各模型分析結(jié)果

方案2和方案3的應(yīng)力云圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 方案2的模型Mises應(yīng)力云圖

圖7 方案3的模型Mises應(yīng)力云圖

方案1在實(shí)際使用中出現(xiàn)橋殼開裂現(xiàn)象,從有限元分析的結(jié)果看,無論是在橋殼鼓包處還是在橋殼圓管處的應(yīng)力均超過設(shè)計(jì)的目標(biāo)值,最大值出現(xiàn)在橋殼鼓包處為138 MPa。這也表明,用傳統(tǒng)的計(jì)算方法設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件時(shí),其計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際偏差較大,為保證在實(shí)際使用中的可靠性,通常加大零件結(jié)構(gòu)尺寸,增加了零件的重量,同時(shí)成本也相應(yīng)增加[7-8]。

方案2的加強(qiáng)板與橋殼鼓包連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中(圖示標(biāo)記處),應(yīng)力最大值為163 MPa。表明增加加強(qiáng)板后反而更加引起應(yīng)力集中,其原因是在連接處截面發(fā)生了突變,說明單純增加加強(qiáng)板不能提高橋殼的強(qiáng)度,反而降低了橋殼的強(qiáng)度,此方案不可用。

方案3在橋殼鼓包處仍然存在應(yīng)力集中,但最大應(yīng)力數(shù)值明顯比其它方案低,也低于目標(biāo)值。

分析結(jié)論:方案1和方案2均應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目標(biāo)值;方案2增加加強(qiáng)板反而引起應(yīng)力更加集中;方案3滿足設(shè)計(jì)目標(biāo);各方案應(yīng)力最大值基本位于對應(yīng)的同一區(qū)域。

3.2 變形分析

根據(jù)汽車后橋試驗(yàn)要求,后橋垂直最大變形應(yīng)小于1.5 mm/m,根據(jù)本車型后橋長度計(jì)算,設(shè)計(jì)目標(biāo)值應(yīng)小于2.0 mm。方案3的變形圖如圖8所示。

圖8 方案3模型變形圖

其它方案變形數(shù)據(jù)見表2。

表2 各方案模型變形

表中數(shù)據(jù)表明,方案1的變形大于方案2,加強(qiáng)板只增加了橋殼的剛度,并沒有增加其強(qiáng)度,其原因如前所述,是應(yīng)力集中降低了橋殼的強(qiáng)度。方案3在橋殼鼓包和橋殼圓管處均增加1 mm,強(qiáng)度和剛度均明顯增加,且都小于設(shè)計(jì)的目標(biāo)值,滿足要求。因此,零件的強(qiáng)度不僅僅在于尺寸的大小,其結(jié)構(gòu)的好壞是影響其強(qiáng)度與剛度的非常重要的因素。

4 結(jié) 語

(1)在橋殼鼓包處增加加強(qiáng)板,不能增加橋殼的強(qiáng)度,也不能解決橋殼開裂現(xiàn)象;

(2)增加橋殼鼓包處的厚度能顯著提高橋殼的強(qiáng)度,可以有效解決橋殼開裂現(xiàn)象,實(shí)際使用表明方案3是可行的;

(3)在設(shè)計(jì)中使用有限元方法,可以縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期,降低設(shè)計(jì)開發(fā)成本,減少試驗(yàn)次數(shù),提高產(chǎn)品質(zhì)量,使得汽車在輕量化、舒適性和操縱穩(wěn)定性方面得到改進(jìn)和提高,具有非常重大的實(shí)際意義。

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