張湯姆
摘 要:對于車輛的整體使用壽命和使用品質(zhì)而言,驅(qū)動后橋動力總成系統(tǒng)扮演著非常重要的角色。本研究就工信部公開的某車參數(shù)為基礎(chǔ),以ANSYS workbench為基礎(chǔ)建立有限元模型,對其驅(qū)動橋殼進(jìn)行不同極限工況下的仿真模擬,之后完成優(yōu)化設(shè)計,以輕量化以及降低最大位移變形量為目標(biāo),橋殼相關(guān)尺寸為參數(shù),最終實現(xiàn)了質(zhì)量降低0.96%,最大變形值減少0.93%目標(biāo)。
關(guān)鍵詞:驅(qū)動后橋;ANSYS;workbench;仿真計算;優(yōu)化
0 引言
本篇文章以市面上某款電動汽車的驅(qū)動橋為研究對象,使用ANSYS workbench對其進(jìn)行有限元模型分析,證實其強度剛度等都可滿足使用標(biāo)準(zhǔn),在此基礎(chǔ)上采取直接優(yōu)化方法,制定目標(biāo)函數(shù)和輸入?yún)?shù)后實施優(yōu)化,從而獲得更加可靠的數(shù)據(jù),達(dá)到了輕量化的目標(biāo)。
1 有限元分析
1.1 構(gòu)建車架模型及網(wǎng)格劃分
在建立驅(qū)動橋殼的模型時,需要抹去不影響整體性能的小孔與圓角,如此可降低網(wǎng)格劃分難度。選用的橋殼材料為45Cr合金鋼,屈服應(yīng)力為450 MPa,總質(zhì)量為28.15 kg,對各部件材料屬性設(shè)置完成后,采取網(wǎng)格劃分,使用的是六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量為27 620,節(jié)點數(shù)為119 725。
1.2 極限工況仿真分析
汽車在道路中行駛時會受到不同方向和大小的力,不過大都可以概括為四類工況,在進(jìn)行計算時選用了這四類工況下的極限數(shù)值,對驅(qū)動橋橋殼進(jìn)行仿真計算,獲得了四類極
限工況下橋殼的應(yīng)力、位移分布規(guī)律。最終的結(jié)論表明,一體化驅(qū)動橋橋殼在最大垂直力工況下橋殼中心處應(yīng)力較大,為438.63 MPa;最大單位變形量是0.904 mm/m,都遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)值,所以此次研發(fā)的后橋結(jié)構(gòu)滿足極限工況中的應(yīng)用要求,在極限狀態(tài)下不會出現(xiàn)損傷。
1.3 疲勞壽命分析
根據(jù)汽車規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)QCT533-1999中對驅(qū)動橋殼疲勞試驗的要求,測試負(fù)載最大按照滿載時的2.5倍加載,為36 kN;最小按照滿載時的0.25倍加載,為3.6 kN。所得結(jié)果為在滿載軸荷作用下驅(qū)動橋橋殼的最低壽命為52萬次,與國家規(guī)定的最低次數(shù)50萬次相比略高,所以驅(qū)動橋殼在該極限工況中的疲勞壽命仿真計算中是滿足要求的。
2 優(yōu)化設(shè)計
2.1 目標(biāo)函數(shù)設(shè)定
經(jīng)過上面的計算可以了解到,橋殼的最大應(yīng)力為438.63 MPa,最大位移為1.529 2,遠(yuǎn)小于材料極限值,所以驅(qū)動橋在強度及剛度方面遠(yuǎn)超過車輛的使用要求??紤]到生產(chǎn)成本及耗油量等問題,在確保安全基礎(chǔ)下可采取輕量化設(shè)計,此處可對其尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。設(shè)定輸入?yún)?shù)為橋殼尺寸。驅(qū)動橋殼優(yōu)化參數(shù)P1為橋殼中段長度;P2為橋殼厚度,P3為橋殼中間裝配圓圓周,P4為橋殼中間裝配圓直徑,p5為套筒直徑,p6為橋殼中段長度。按照此次優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定約束區(qū)間為:
300 mm≤P1≤350 mm,6 mm≤P2≤10 mm,P3=250 mm,260 mm≤P4≤300 mm,80 mm≤P5≤85 mm,680 mm≤P6≤690 mm
取不平路面制動工況下橋殼的最大等效應(yīng)力和最大變形為約束條件,以輕量化為優(yōu)化目標(biāo)。建立多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型:
2.2 優(yōu)化結(jié)果選擇
在ANSYS workbench中建立優(yōu)化分析模塊,此模塊包括:模型部分、靜力學(xué)分析部分和響應(yīng)優(yōu)化分析部分。在上述三個模塊中設(shè)定輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)的邊界值,之后完成優(yōu)化分析。得到參數(shù)的敏感圖。
根據(jù)該圖可以看出,橋殼凸殼處的高度p4對橋殼質(zhì)量以及位移敏感度最高,而橋殼內(nèi)徑p5對應(yīng)力影響最大,同時為負(fù)相關(guān)關(guān)系?;诖?,在后橋進(jìn)行設(shè)計過程中如果橋殼發(fā)生了位移變形過大或應(yīng)力過大的情況,就要提高中間殼體厚度而非兩端的厚度以對其實施優(yōu)化?;谝陨戏治鰧驓みM(jìn)行最終的優(yōu)化求解,求得輕量化模型目標(biāo)函數(shù)的2個最優(yōu)候選解,經(jīng)綜合評估后,選擇其中的一組解集。最終得到優(yōu)化前后的參數(shù)對比表:
可以發(fā)現(xiàn),在保持驅(qū)動橋性能的基礎(chǔ)上,其主要參數(shù)都得到了一定的優(yōu)化,質(zhì)量降低0.96%,最大變形值減少0.93%。完成了輕量化的目標(biāo)。
3 結(jié)論
結(jié)論本文基于參數(shù)化思想,在保證整車性能的前提下,采用模塊對驅(qū)動橋進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計,并將優(yōu)化前、后的分析結(jié)果進(jìn)行對比。對比結(jié)果表明:優(yōu)化后最大應(yīng)力值減少7.8%;質(zhì)量減輕3.9%;變形減少了8.6%,證明此次優(yōu)化后的結(jié)果是可行的。
參考文獻(xiàn):
[1]李萬歷.基于Hyperworks的客車車身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計[D].重慶:重慶大學(xué),2015.
[2]楊曉慧,雷金平.電動汽車驅(qū)動橋設(shè)計及疲勞壽命分析[J].2017(29):156+159.
[3]楊麗英.汽車驅(qū)動橋總成疲勞壽命試驗關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2009.