馮江峰，王曉磊，王敏，成華東

（1.陜西漢德車橋有限公司產(chǎn)品開發(fā)部，陜西 西安 710200；2.陜西漢德車橋有限公司質(zhì)量管理部，陜西 西安 710200；3.陜西漢德車橋有限公司研究所，陜西 西安 710200；4.陜西漢德車橋有限公司營銷中心，陜西 西安 710200）

前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速增長，重型汽車行業(yè)發(fā)展迅速，橋總成作為汽車的重要組成部分，其可靠性直接關(guān)系到整車性能。為縮短開發(fā)周期，驗證產(chǎn)品可靠性，通常通過相關(guān)試驗進(jìn)行探測檢驗。

某支承橋橋殼總成在垂直彎曲疲勞試驗中，橋殼發(fā)生開裂現(xiàn)象，如下圖1、2 所示，為了快速查找原因，解決問題，按期完成產(chǎn)品開發(fā)，利用有限元分析手段對該橋殼總成按照垂向和制動工況進(jìn)行模擬分析，準(zhǔn)確快速的找到橋殼開裂處應(yīng)力的大小，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供參考，徹底解決試驗過程中橋殼開裂問題。

圖1 橋殼開裂

圖2 橋殼開裂

1 失效模式分析

重型汽車用鑄造橋殼主要由于承載大，工況惡劣，以及鑄造工藝的影響，存在著一些失效模式。該橋殼為砂型鑄造工藝，從斷裂照片中看，斷裂源位置是在橋殼出砂孔處，最終導(dǎo)致橋殼側(cè)面開裂；橋殼側(cè)面存在出砂孔，在橋殼承受垂向載荷的時候，該孔位于拉應(yīng)力區(qū)，造成應(yīng)力集中；但從橋殼側(cè)面截面分析，橋殼截面鑄造厚度不均勻，和理論設(shè)計有差異，容易引起應(yīng)力集中。最終通過有限元分析合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低應(yīng)力集中，提高橋殼的強(qiáng)度，滿足試驗要求。

2 橋殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

通過對現(xiàn)結(jié)構(gòu)橋殼建模分析，根據(jù)分析結(jié)果并結(jié)合橋殼失效模式對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE 優(yōu)化設(shè)計，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)而降低應(yīng)力集中部位處的應(yīng)力，提高橋殼強(qiáng)度和可靠性，結(jié)構(gòu)優(yōu)化對比見圖3 和圖4。改后結(jié)構(gòu)側(cè)板壁厚增加，橋殼出砂孔變小，同時在橋殼側(cè)面上增加了加強(qiáng)筋，降低橋殼應(yīng)力，提高橋殼的疲勞強(qiáng)度和壽命。

圖3 改前結(jié)構(gòu)

圖4 改后結(jié)構(gòu)

3 橋殼有限元計算分析

3.1 有限元模型建立

有限元模型基于Proe 三維幾何模型建立，基于Hyper Mesh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元模型采用車橋前進(jìn)坐標(biāo)系， X軸指向車輛前進(jìn)方向，Y 軸指向前進(jìn)方向的左側(cè)，Z 軸豎直向上，采用mm，s，t 有限元常用單位制，模型采用四面體單元劃分實體網(wǎng)格。

該橋殼為鑄造橋殼，材料QT450，其屈服強(qiáng)度為310MPa，彈性模量147GPa，泊松比為0.25，密度為7300kg/m3，得出如圖5 所示的橋殼結(jié)構(gòu)有限元分析模型。

圖5 橋殼結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 計算及分析

3.2.1 有限元計算

為了準(zhǔn)確的分析出橋殼開裂的原因，分別對改前和改后結(jié)構(gòu)基于HyperMesh 進(jìn)行有限元計算，該橋殼的額定載荷為11.5 噸，垂向最大載荷考慮額定載荷的2.5 倍，輪胎半徑478mm，整橋制動力矩為40000N·m；分析時，考慮垂向和制動兩種工況，各個工況下分別施加載荷進(jìn)行分析計算。

模型中，采用共用結(jié)點、RBE2 單元等方式模擬各部件之間的連接關(guān)系；利用RBE2、RBE3 等單元，在模型上定義約束、施加載荷，提交有限元求解器，進(jìn)行線性靜力計算，得到設(shè)計工況下的應(yīng)力云圖結(jié)果見圖6 和圖7。

圖6 改前結(jié)構(gòu)

圖7 改后結(jié)構(gòu)

3.2.2 計算結(jié)果分析

通過對橋殼建模計算可知，改進(jìn)后的橋殼應(yīng)力較改前橋殼的最大應(yīng)力大幅降低，出砂孔處和橋殼側(cè)面應(yīng)力分別降低10.1%和19.8%，在橋殼材料的許用強(qiáng)度范圍內(nèi)，滿足材料使用強(qiáng)度要求；采用改后結(jié)構(gòu)，通過了橋殼疲勞臺架試驗，說明改進(jìn)效果明顯。

表1

4 結(jié)論

基于HyperMesh 的有限元分析方法，對某鑄造橋殼進(jìn)行建模分析，對改前結(jié)構(gòu)和改后結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析對比，快速找出橋殼開裂的原因。該案例中，橋殼的結(jié)構(gòu)和受力情況簡單，但是結(jié)構(gòu)不規(guī)則，運用常規(guī)理論很難比較準(zhǔn)確的計算出結(jié)果，而通過有限元分析方法，只需要確定約束點和受力點，就可以方便的得到各個位置的應(yīng)力。在該案例中，結(jié)合使用工況，通過結(jié)構(gòu)受力分析對比，大大提高了分析問題的準(zhǔn)確性和優(yōu)化改進(jìn)的效率，值得大家參考和借鑒。