汽车桥壳的有限元分析

2013-06-21 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

随着CAE技术在中国的逐步被重视,越来越多的企业引进了CAE技术,本文主要简述CAE技术在某型汽车桥壳方面的应用.

一、前言

汽车桥壳是车辆中重要的安全件和功能件,是几何形状较为复杂的零件,它是主减速器,差速器,半轴的装配基体,主要功能是支撑汽车重量,并承受由车轮传来的路面反力和反力矩,并经悬架传给车架或车身,其性能直接影响运输车辆的安全性和可靠性,要求有足够的强度和刚度,质量要小,从而提高汽车行驶的平顺性.我国目前的实际应用中的桥壳多为铸造桥壳和钢板冲压焊接桥壳,铸造桥壳有较高的强度和刚度,但质量也较大,铸造质量也不易保证,很容易造成材料和能源的浪费.而钢板冲压焊接桥壳,相比较而言,容易制造,质量轻,但加工工序较多,往往存在着回弹超差,而且焊缝质量要求高,也很浪费材料和能源.随着成型设备及相关技术的发展,液压胀形技术在国外迅速发展,广泛应用于汽车制造行业,日本等国家在液压胀形技术上已经达到较高的水平,我国目前还处在试制阶段,不过也渐渐引起了业内人士的关注,液压胀形桥壳的主要优点是壁厚分布合理,无焊缝,刚度,强度高,重量轻,材料利用率高,节能降耗,加工工序少,加工效率高.这将是车桥今后发展的一种趋势,本文主要是通过ANSYS有限元软件对某型车桥结构进行的有限元计算与分析。

二、有限元计算与分析

CAE技术,在产品生产的各阶段,周期内都有其实际效益,例如:在概念设计阶段CAE可以为设计人员来完成基础设计的验证,不同方案的比较,满足功能,性能方面的要求;在详细设计阶段CAE可以验证各种零部件是否满足性能,制造上是否可行等,不过我国目前CAE技术的开展,主要集中在产品开发和试验阶段.本文研究的车桥就是经试验检测后在进行的CAE研究.

2.1有限元模型的建立

我们根据设计者向我们提供的某后桥的数模,在对计算精度影响不大的前提下,为提高计算速度,对模型做适当的简化。简化后的有限元模型共有224210个节点.

2.2 约束与载荷

2.2.1 约束的施加

为了模拟桥在真实工况下的状态,我们在施加约束时只在桥两端面施加约束。

2.2.2 载荷的施加

载荷的施加分为两种:

1、与桥壳轴管中心线垂直的方向施加8330N的力;
2、在满载的状态下在与桥壳轴管中心线垂直的方向施加20825N的力。

2.3 计算工况分类

本文主要采用模拟试验的方法确定如下几种计算工况进行对比计算分析。

表一:计算工况对比描述

2.4 计算结果分析

2.4.1静力结果分析比较

表二: 最大应力值(MP)比较

表三: 最大变形值(mm)比较

我们通过以上诸表和图形对静力状态下的两种工况有了很直观的了解,现在我们对工况三工况四的疲劳做一下分析比较,由于没有获得材料本身的疲劳寿命曲线,本次计算只是利用软件本身所带材料疲劳曲线进行了计算对比。

图5 工况三的疲劳寿命云图图6 工况四的疲劳寿命云图

我们可以看到在车桥三段式连接的中部连接处有较大的应力集中现象,这是由于连接处存在较大的缝隙(为焊接而采用的坡口)造成的失实现象,因此我们对模型做了适当得改进,重新进行计算分析,并对这种情形下获得的应力、变形,疲劳寿命值与没有改进前应力、变形、疲劳寿命值加以比较。

图7 工况一的应力云图图8 工况二的应力云图

图9 工况一得变形云图图10 工况二得变形云图

图11 工况三的疲劳寿命云图图12 工况四的疲劳寿命云图

2.4.2 计算结果数值比较

表四:最大应力值(MP)比较

表五:最大变形值(mm)比较:

表六:疲劳寿命值(次)比较:

三、结论

从强度计算结果来看,由于加载和结构上的原因,在结构局部地方存在应力集中(最大应力出现位置)问题,在制造过程中应加强工艺保证;计算结果表明有动荷系数时应力集中现象加大,最大应力值上升,同时疲劳寿命减小(本文采用的是软件自带材料疲劳曲线,结果只做参考);改进后的结果明显减小,说明改进方案有效.总体来说,该桥本身设计结构还是合理的,只是在制造过程中应尽量减少焊接缺陷导致局部应力集中。目前受国内技术,工艺的局限,在车桥生产这一环节还存在很多的缺撼,希望CAE技术在国内的不断推广,可以为我们的汽车制造业带来不一样的景象,也希望CAE技术可以充分的发挥其作用,逐渐接近国际先进的技术水平。

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