孟斌，姚賓，燕穎，鄧群

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

基于Hyperworks的微型車車橋疲勞壽命分析與研究

孟斌，姚賓，燕穎，鄧群

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

驅(qū)動橋是汽車上主要部件之一，驅(qū)動橋的質(zhì)量好壞會大大影響到車輛的安全使用。在車輛不斷向高速、輕量、低能耗和高性能發(fā)展的今天，微型車車橋的安全性日益受到關(guān)注。本文以實體單元為基礎(chǔ)，通過Proe軟件對微型汽車車橋進(jìn)行建模，利用Hyperworks對模型進(jìn)行有限元模擬分析。在隨機載荷下的對其疲勞壽命予以分析，并對驅(qū)動橋的疲勞強度進(jìn)行了計算，得出了驅(qū)動橋的應(yīng)力和變形分布。通過強度評價和疲勞壽命估算，驗證了該車橋設(shè)計的合理性，為商用車車橋設(shè)計研發(fā)提供了參考。

驅(qū)動橋；Hyperworks；有限元；疲勞壽命

CLC NO.: U463.3 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2014)10-58-04

緒論

驅(qū)動橋作為車輛的重要總成，傳遞車輛、車架和路面間的各種作用力。其動靜態(tài)性能的優(yōu)劣能直接影響到整車工作的安全性、平穩(wěn)性、舒適性[1]。研究表明，長期在交變載荷下工作是車橋發(fā)生破壞的主要原因[2]。因而，對車橋疲勞壽命分析很有必要?；诳煽啃缘脑O(shè)計方式要求汽車在設(shè)計的使用期內(nèi)不產(chǎn)生疲勞破壞,超出到使用期后盡可能多的產(chǎn)生損傷幾率[3]，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品輕量化，節(jié)約材料、能源的目的。而傳統(tǒng)的分析方法主要通過合同類車橋類比，然后在實際道路上行駛實驗，室內(nèi)模擬實驗[4]，或者是采用虛擬實驗[5]方法研究車橋可靠性能后，再試生產(chǎn)。這種方式，試驗投資大、周期長，不利于企業(yè)的競爭與發(fā)展[6]。

計算機CAE技術(shù)的發(fā)展，使用相應(yīng)的軟件就能完成疲勞仿真分析[7]。本文通過Proe、Hyperworks建立了驅(qū)動橋的有限元模型，并在隨機載荷下的對其疲勞壽命予以分析，從而確立其可靠性。

1、Hyperworks介紹

Altair公司的Hyperworks軟件為企業(yè)級CAE平臺，集成設(shè)計與分析多種工具，擁有開放性體系和可編程工作平臺，可提供頂尖的CAE建模、可視化分析、優(yōu)化分析、以及健壯性分析、多體仿真、制造仿真、以及過程自動化。Altair公司的Hyperworks軟件為用戶提供優(yōu)秀的前處理工具HyperMesh，以及全面而通用的CAE后處理環(huán)境Hyperworks。在疲勞失效預(yù)測分析中，應(yīng)用Hyperworks軟件進(jìn)行有限元疲勞預(yù)測，將零部件設(shè)計水平從壽命定性設(shè)計到壽命定量設(shè)計變?yōu)榭赡?。借助HyperMesh 和 Radioss 模塊，可以實現(xiàn)疲勞分析的使用過程，將計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比，并對改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗證。

HyperMesh高性能、開放式有限單元前后處理器，主要用于模型處理。相對其它軟件，具有更為強大的網(wǎng)格劃分能力。它能夠提供與主流商業(yè)CAD、CAE求解器的接口，確保將建立的物理模型的導(dǎo)入 ，以便進(jìn)行有限元分析。

Altair Radioss 是一個功能強大的有限元求解器，包含顯式和隱式時間積分求解算法，同時支持拉格朗日、歐拉和ALE 算法。采用 Radioss技術(shù)，用戶可以自由地選擇采用動態(tài)、靜態(tài)或瞬態(tài)的方式實現(xiàn)對大應(yīng)變和大位移等非線性結(jié)構(gòu)、流體、流固耦合問題的仿真求解。

2、基于Hyperworks的微型汽車車橋建模及仿真

以下，車橋的結(jié)構(gòu)、有限元網(wǎng)格的剖分等幾個方面入手

[8]，介紹基于Hyperworks的車橋模型的建立。

2.1 車橋的結(jié)構(gòu)模型

為減小建模規(guī)模，在保證計算精度的前提下,對模型進(jìn)行了簡化[9]。即：省去了對結(jié)構(gòu)整體剛度、質(zhì)量矩陣及動應(yīng)力分布影響不大的結(jié)構(gòu)：省略制動分泵支架，潤滑油加注口，板簧支座，底部放油孔，固定導(dǎo)線和油管所用的金屬卡，制動底板凸緣及應(yīng)力較小的過渡圓角，另外將后背殼中間部分的復(fù)雜曲面簡化為球面。采用PROE三維軟件建立模型，如圖2所示：

2.2 有限元前處理分析

在有限元前處理分析采用Hyperworks中的Hypermesh。網(wǎng)格劃分是有限元處理中的一個重要組織部分。劃分網(wǎng)格時需要注意網(wǎng)格數(shù)量、疏密程度、網(wǎng)格質(zhì)量、網(wǎng)格分界面、網(wǎng)格布局等[10]。

由于hyperworks10.0可以直接導(dǎo)入PROE的模型，不需要再進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，因此省去了幾何清理這一步聚。根據(jù)模型各部分形狀的不同，先生成二維網(wǎng)格，再根據(jù)實體形狀，將二維網(wǎng)格進(jìn)行拉伸或旋轉(zhuǎn)生成六面體實體網(wǎng)格。在外殼方形部分與圓管部分與連接處則直接采用tetramesh，生成四面體實體網(wǎng)格。

本文將為下一步的靜態(tài)工況，設(shè)置3個有限元模型，分別是采用shell單元，材料厚度分別為6mm及5mm的橋殼有限元模型，另外是采用體單元，材料厚度為5mm的橋殼有限元模型。設(shè)置的材料類型均為MAT1，設(shè)置的材料數(shù)據(jù)為彈性模量為210000Mpa，波松比為0.3，密度為7.9e3Kg/m3。

圖3中的模型采用體網(wǎng)格，且材料厚度為5mm最終單元數(shù)為14960。

網(wǎng)格檢查結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)臺架試驗的實際情況，在模擬臺架實驗中，把受力點定在彈簧座上[11]。在用Hyperworks分析時，由于將彈簧座省略掉，此時將力設(shè)置到彈簧座據(jù)在位置的半軸套管上，軟件會根據(jù)所選的受力節(jié)點，將力均勻分布在這些受力節(jié)點

上。模型的支點則選在半軸套管的凸圓，即將橋殼兩端6個自由度全部約束。

殼單元下的橋殼加載力，加載位置共有806個節(jié)點。后橋滿載軸荷為5000N，每個節(jié)點5000N/806=6.203N。2.5倍加載力則為15.509N。對材料厚度分別采取6mm及5mm的有限元模型進(jìn)行分析。加載約束及載荷的模型圖6所示：

在考慮阻尼和剛度的前提下通過路面不平度影響下，汽車驅(qū)動橋振動系統(tǒng)模型及微分方程表達(dá)式，可為驅(qū)動橋的有限元動態(tài)分析與設(shè)計提供載荷方面的準(zhǔn)備[12]，繼而結(jié)合路面特征獲得路面的載荷譜。以長安大學(xué)實驗場地路面的加速度功率譜密度作為輸入數(shù)據(jù)，將頻率范圍設(shè)置在各路面頻率譜值范圍內(nèi)。其頻率譜值如表所示。

3、微型汽車車橋壽命計算

求解結(jié)果如下圖所示：

本文采用的模型參照某微型車橋。車橋材料采用Q195。在建模過程中，將車橋整體采用同一種材料屬性。Q195的參數(shù)如下：屈服極限195Mpa，強度極限330Mpa，泊松比為0.3，彈性模量1.86e11～2.06e11pa，密度為7.8e3Kg/m3。以上各參數(shù)與熱處理有關(guān)。另外采用的橋殼厚度為6mm。

由于Miner理論基于這樣的假設(shè)，即各級應(yīng)力所產(chǎn)生的所有損傷率之和為1，零件就發(fā)生破壞[13]。

相應(yīng)工作應(yīng)力幅，相對應(yīng)的工作循環(huán)次數(shù)為ni。Nt表示具體失效循環(huán)次數(shù)，N1代表最大應(yīng)力級作用下的失效循環(huán)數(shù)。

有零件的疲勞曲線方程，得

代入得：

m為零件疲勞曲線左支的冪指數(shù)。

即零件總體的中值疲勞壽（R=0.500）時

用工作年限表示車橋的中值疲勞壽命

累積行駛里程可達(dá)4500000公里。

4、結(jié)論

木文利用Hyperworks對汽車驅(qū)動橋進(jìn)行強度有限元計算分析，由分析結(jié)果可知，利用計算機工程軟件進(jìn)行有限元計算能夠?qū)ζ嚱Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較全面的分析，獲得微型汽車在隨機載荷譜下車橋應(yīng)力應(yīng)變分部信息，并結(jié)合材料疲勞分析理論，可以計算出疲勞壽命和行駛里程。通過結(jié)果可以看出，微型車車橋具有良好的疲勞可靠性。

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Analysis and Study of Micro Cars’ Driving Axle Fatigue Life Based on Hyperworks

Meng Bin, Yao Bin, Yan Ying, Deng Qun
(School of Automobile，Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064)

As one of the main components, the quality of driving axle will greatly affect the safe use of vehicle. Nowadays, vehicles are developed in the direction of high speed, light, low energy and high quality. However, the safety of driving axle is concerned by everybody increasingly.This paper describes the modeling of micro vehicles’ driving axle with Proe on the basis of solid element and presents finite element analysis and simulation on it. Then test the fatigue life of the axle under random load and calculate its fatigue strength. Thus, the stress and deformation distribution of the driving axle can be attained. By making strength evaluation and fatigue life estimation, the rationality of the axle will be verified. This method provides reference for the design and research of commercial vehicles’ axles.

Driving Axle; Hyperworks; Finite Element; Fatigue Life

U463.3

A

1671-7988(2014)10-58-04

孟斌，就讀于長安大學(xué)。