（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥230036）

近年國內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家就橋殼生產(chǎn)工藝進(jìn)行了很多研究，主要的研究方向在于橋殼新的生產(chǎn)工藝的應(yīng)用和推廣，如橋殼熱沖壓成型工藝在生產(chǎn)中的應(yīng)用和產(chǎn)品質(zhì)量控制。鋼板料沖壓焊接式橋殼具有質(zhì)量小，制造簡單，材料利用率高，抗沖擊性能好，成本低以及適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。它在輕型轎車上得到廣泛應(yīng)用[1]。目前，我國實(shí)際應(yīng)用的橋殼多為鑄造和鋼板料沖壓焊接橋殼。由于鋼板料沖壓焊接橋殼優(yōu)點(diǎn)顯著，使得有關(guān)橋殼的沖壓成型研究越來越重要。但是驅(qū)動橋殼在沖壓成型工藝中產(chǎn)生翹曲變形，使得在焊接橋殼后易導(dǎo)致橋殼質(zhì)量下降。因此在沖壓工藝中針對橋殼片端部發(fā)生翹曲變形現(xiàn)象，擬增加一個對變形的橋殼片進(jìn)行壓平處理的工序[2-4]。如何掌握施加力的大小和位置，成為汽車驅(qū)動橋生產(chǎn)企業(yè)的一個技術(shù)難題。

下面，筆者針對驅(qū)動橋橋殼翹曲現(xiàn)象，提出基于有限元軟件進(jìn)行壓平工序分析。

1 驅(qū)動橋殼片的有限元建模

1）驅(qū)動橋殼片的三維模型 橋殼的熱成型兼具彎曲，沖壓變形特點(diǎn)，需要首先建立有限元模型。在UG三維軟件中建立橋殼熱沖壓成型的板料毛胚模型。在建立幾何模型時(shí)，在保持力學(xué)性能不變情況下，對橋殼片結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化：①去除對橋殼結(jié)構(gòu)影響較小的圓孔；②簡化一些不等厚的結(jié)構(gòu)之間的過渡曲線，盡量采用直線特征過渡，以便于中截面定位；③忽略半軸套管和橋殼裝配位置的切口特征?；谝陨虾喕僭O(shè)基礎(chǔ)上，在UG軟件中建立了驅(qū)動橋橋殼片的三維模型，如圖1所示。

圖1 三維數(shù)模和上翹位置

2）驅(qū)動橋殼片有限元模型 將驅(qū)動橋殼片的數(shù)值模型以iges格式導(dǎo)入Ansys／Workbench中進(jìn)行前處理。驅(qū)動橋橋殼材料為M510L，其楊氏模量為2.07×108Pa，泊松比為0.3。為提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格采用全六面體劃分，橋殼片的網(wǎng)格數(shù)35491個，節(jié)點(diǎn)數(shù)41891。網(wǎng)格劃分后有限元模型如圖2（a）所示。在驅(qū)動橋橋殼片上施加固定約束，約束的位置如圖2（b）所示。根據(jù)橋殼片的工藝裝夾約束位置，確定施加力的位置，如圖2（c）所示，施加力的大小從1000N開始，以每隔100N遞增方法進(jìn)行分次進(jìn)行計(jì)算，直至達(dá)到預(yù)期目標(biāo)效果。計(jì)算過程中對橋殼片上的單元位移進(jìn)行監(jiān)測，在后處理中觀察位移變化結(jié)果。

圖2 橋殼片約束

3）有限元分析結(jié)果 經(jīng)過多次計(jì)算后，得出在2286.7N時(shí)橋殼片的總變形量達(dá)到設(shè)定的3mm，此時(shí)可以認(rèn)為橋殼能夠達(dá)到壓平狀態(tài)。具體的有限元計(jì)算結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，驅(qū)動橋橋殼片變形量為3mm，達(dá)到預(yù)期目的；X方向和Z方向的變形量較小，Y方向變形量較大，這也符合實(shí)際中橋殼的調(diào)整工藝要求。

圖3 位移云圖

2 驅(qū)動橋殼的有限元分析

為了對壓平后的橋殼片進(jìn)一步分析和驗(yàn)證壓平結(jié)論的正確性，對未壓平焊接的橋殼、過壓平焊接的橋殼和壓平焊接的橋殼分3種情況分別進(jìn)行靜力學(xué)分析。

1）驅(qū)動橋殼的有限元模型 在UG軟件中建立焊接好的驅(qū)動橋殼的三維模型，并將模型以stp格式文件導(dǎo)入Ansys／Workbench中。為了更準(zhǔn)確的模擬試驗(yàn)時(shí)橋殼的受力情況，建模時(shí)對驅(qū)動橋橋殼進(jìn)行了以下幾點(diǎn)處理：①有限元分析前處理中合并或消除了一些較小的面或邊；②去除對結(jié)果影響較小的圓孔等。③在輪距相應(yīng)位置和彈簧鋼座上設(shè)置參考點(diǎn)與相應(yīng)位置耦合，邊界條件和載荷施加在參考點(diǎn)上。網(wǎng)格類型采用十節(jié)點(diǎn)二次四面體單元和二十結(jié)點(diǎn)二次六面體減縮積分單元，共劃分網(wǎng)格144701個，節(jié)點(diǎn)數(shù)254231，橋殼有限元模型網(wǎng)格圖如圖4所示。按照QC／T533-1999《汽車驅(qū)動橋臺架試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行橋殼有限元分析。該款橋殼滿載質(zhì)量為1400kg，采用的材料為M510L。分析時(shí)按照橋殼滿載載荷的2.5倍進(jìn)行垂直工況下的靜力學(xué)分析。約束時(shí)一端釋放垂直于橋彎曲平面的旋轉(zhuǎn)自由度，另一端除釋放旋轉(zhuǎn)自由度外還釋放沿軸向的位移，施加載荷和約束如圖5所示。

圖4 橋殼網(wǎng)格圖

2）驅(qū)動橋殼有限元分析結(jié)果 經(jīng)計(jì)算后，得到有限元分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，未進(jìn)行壓平焊接的橋殼應(yīng)力達(dá)到225.2MPa，過壓平焊接的橋殼應(yīng)力達(dá)到239.6MPa，壓平焊接的橋殼應(yīng)力僅為197.3MPa，顯然經(jīng)過壓平工序后的橋殼應(yīng)力較小，提高了橋殼的使用壽命。圖6（d）為經(jīng)過壓平后焊接的橋殼實(shí)物照片。將經(jīng)過壓平工序后焊接的橋殼按照QC／T533-1999臺架的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行臺架試驗(yàn)，通過標(biāo)準(zhǔn)要求的80萬次疲勞試驗(yàn)，說明壓平后的橋殼能夠滿足臺架試驗(yàn)及使用要求，也驗(yàn)證了壓平工藝的正確性和合理性。

圖5 焊接后驅(qū)動橋橋殼加載和約束

圖6 垂直工況下不同壓平處理下的應(yīng)力分布云圖

3 結(jié) 論

（1）通過建立橋殼片有限元模型，并進(jìn)行了大量壓平工序的有限元分析，得出了橋殼片3mm翹曲量下的壓平力為2286.7N。

（2）通過未壓平焊接的橋、過壓平焊接的橋和壓平焊接的橋分別進(jìn)行的有限元靜力學(xué)分析，得出了壓平后焊接的橋應(yīng)力最小，驗(yàn)證了壓平工序?qū)μ岣邩虻馁|(zhì)量有一定幫助。

（3）針對沖壓成型橋殼片翹曲進(jìn)行有限元分析的方法為橋殼翹曲校正工藝提供了一種新的途徑。

[1]崔波 .輕型汽車橋殼成型工藝及模具設(shè)計(jì) [J].金屬成型工藝，1998，16（2）：13-15.

[2]楊志卿，王良模，榮如松，等.基于Hypermesh的汽車驅(qū)動橋殼有限元分析與疲勞壽命預(yù)測 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（5）：51-53.

[3]劉為，薛克敏，李萍等 .汽車驅(qū)動橋殼的有限元分析和優(yōu)化 [J].汽車工程，2012，34（6）：523-527.

[4]Kim D C，Ryu I H，Kim K U.Analysis of tractor transmission and driving axle loads[J].Transactions of the ASAE，2001，44(4）：751-757.