车辆驱动桥动态优化设计

2013-06-20 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

介绍了应用UG/NX软件对汽车驱动桥壳进行参数化设计的方法,并对某轻型货车建立了其驱动桥壳的动力学模型。在考察其变形、强度和刚度的基础上,对影响桥壳强度和刚度的因素进行了设计研究,并进行了产品结构优化设计。和传统的设计方法相比,这种方法提高了精度和效率。

羊玢孙庆鸿王睿郑燕萍来源:e-works
关键字:CAE 动态优化设计 UGS

1 前言
车辆驱动桥壳的功用是支承并保护主减速器、差速器和半轴等,使左右驱动车轮的轴向相对位置固定;同从动桥一起支承车架及其上的各总成重量;汽车行驶时,承受由车轮传来的路面反作用力和力矩,并经悬架传给车架。
驱动桥壳应有足够的强度和刚度,质量小,并便于主减速器的拆装和调整。由于桥壳的尺寸和质量比较大,制造较困难,故其结构型式在满足使用要求的前提下,要尽可能便于制造。
驱动桥壳可分为整体式桥壳和分段式桥壳两类。整体式桥壳具有较大的强度和刚度,且便于主减速器的装配、调整和维修,因此普遍应用于各类汽车上。
目前,车辆驱动桥壳的设计大多还是图解法,这种设计计算量大且很复杂,精度不高。应用计算机的可视化技术和参数化造型和建模能力,在车辆的设计阶段进行三维实体建模,并利用有限元分析方法进行满载荷静力学分析,2.5倍满载轴荷下的垂直弯曲强度和刚度计算,并进行模态分析和参数化结构优化。从而提高车辆驱动桥壳结构的设计水平,减少实际试验研究费用和时间,提高设计效率。

    2 UG软件简介及其结构分析方法
Unigraphics(UG) CAD/CAM/CAE系统提供了一个基于过程的产品设计环境,使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成,从而优化了企业的产品设计与制造。而且,在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟,提高设计的可靠性。
    通过在实践中运用UG软件,作者总结了一套结构分析方法和分析步骤:
    (1)参数化建模:包括建立构件的实体模型,建立设计变量,并施加约束和载荷等;
    (2)满载荷静力学分析:确定8mm桥壳每米轮距变形量和最大许可应力值;
    (3)结构模态分析:确定不同设计变量下的结构固有频率及振型,并与试验值比较;
    (4)参数化优化设计:在指定优化目标、定义约束和定义变量之后,计算出最优结果。

3 有限元分析模型的建立
对产品进行参数化建模,可以用参数建立起零件内各特征之间的相互关系。同时,通过设计时设定的关联参数,实现相关部件的关联改变,可以有效地减少设计改变的时间及成本,并维护设计的完整性。设计软件采用UG/NX,基于自顶向下(Top-Down)原则对产品进行设计,根据关键参数和UG/WAVE技术建立起零部件之间的几何和位置的相关性。
建立好的参数化模型如下:

车辆驱动桥动态优化设计ansys培训的效果图片1

图1 参数化模型

由于部件三维模型中的细节将影响整个结构的网格分布,增加网格的数量,使模型过于复杂。因此,对三维模型去掉那些对分析影响不大的特征(如倒角、圆角等)和一些小孔。
采用UG/Scenario for structure进行网格划分,划分网格时选用四面体10节点单元(四面体10节点单元具有较高的刚度及计算精度),全局单元尺寸大小为18.3,进行网格自动划分,建立起桥壳有限元网格模型,共有63218个节点,32293个单元。

车辆驱动桥动态优化设计ansys培训的效果图片2
图2 有限元模型

    4 桥壳结构有限元分析
    4.1 有限元分析方案
后桥是汽车中的重要部件,它承受着来自路面和悬架之间的一切力和力矩,是汽车中工作条件最恶劣的总成之一,如果设计不当会造成严重的后果。为保证后桥设计的可行性和工作的可靠性,在设计过程中必须对其应力分布、变形等进行计算和校核。
进行分析、评估和校核的项目如下:
    (1)后桥壳垂直弯曲强度和刚度计算
    (2)后桥总成模态分析,计算后桥壳总成的固有频率及振型
    桥壳的相关数据:驱动桥满载后轴重为5.5T,簧距880mm,轮距1586mm,板簧座上表面面积7079mm2,面载荷为

车辆驱动桥动态优化设计ansys培训的效果图片3

材料09SiVL-8的弹性模量为 5Mpa,泊松比为0.3,材料密度为7850㎏/m ,根据国内外经验,垂向载荷均取为桥壳满载负荷的2.5倍即为9.5MPa。材料许可应力[σ]s=510~610 MPa。
试验数据: 满载荷最大位移1.5㎜。
4.2 结构静力学分析
计算桥壳的垂直弯曲刚度和强度的方法是将后桥两端固定,在弹簧座处施加载荷,将桥壳两端6个自由度全部约束,在弹簧座处施加规定的载荷。当承受满载轴荷时,根据国家标准,桥壳最大变形量不超过1.5㎜/m,承受2.5倍满载轴荷时,桥壳不能出现断裂和塑性变形。
根据建立的有限元分析模型,通过PE solve解算器,计算了部件在2.5倍满载荷条件下的位移和应力。

车辆驱动桥动态优化设计ansys培训的效果图片4
图3 2.5倍满载荷条件下的位移

车辆驱动桥动态优化设计ansys培训的效果图片5
图4 2.5倍满载荷条件下的应力

其结果如下:最大位移为1.561mm,最大应力出现在半轴套管约束处,为659.9Mpa,每米轮距的变形量为1.561mm/1.586m=0.98mm/m,小于规定的1.5mm/m,符合国家相关规定。
从图4可以看出,在桥壳方形截面与牙包过渡的地方,其应力为280MPa左右,远小于其许用应力[σ]s。
综上分析,8㎜厚度的桥壳本体是完全符合桥壳结构强度要求的。
4.3 结构模态分析
改变桥壳本体厚度做模态分析,结果如表1所示。

车辆驱动桥动态优化设计ansys培训的效果图片6

从上表可以看出,在厚度降低时,桥壳的固有频率是在不断地增加的,说明降低桥壳的厚度可以提高其低阶固有频率,从而提高桥壳刚度。
与试验结果(一阶频率149Hz)比较,其一阶频率接近试验结果,桥壳本体厚度为8㎜的驱动桥壳的一阶频率与试验绝对误差为:
(149-132.2)/149×100%=11.2%
小于经验值20%,说明模型的可靠性是有保证的。

5 桥壳优化设计
以重量最小化为定义目标,定义约束为许可应力。把桥壳的厚度定为设计变量,其最大值定为8mm,最小值定为6mm。表2为经过20次迭代后的结果。

车辆驱动桥动态优化设计ansys培训的效果图片7

图5 迭代质量变化曲线

车辆驱动桥动态优化设计ansys培训的效果图片8
图6 迭代桥壳厚度变化曲线

车辆驱动桥动态优化设计ansys结构分析图片9

由表2和图6可以看出经过3次迭代,得到一个最优点,在7mm时桥壳的质量时50.72㎏,质量比原来减轻了4.2kg。在同时满足强度和刚度要求的情况下,从而实现了轻量化驱动桥壳的生产。

6 结论
利用UG软件建立了驱动桥壳的3D参数化模型,并利用有限元分析方法进行了2.5倍满载轴荷下的垂直弯曲强度和刚度计算;并进行了模态分析和参数化结构优化。计算结果表明,该型驱动桥壳具有足够的强度和刚度,这为该型驱动桥壳的轻量化设计提供了部分依据,有很大的实践指导意义。
经过优化分析,使桥壳本体的厚度由8mm降至7mm,质量减少了4.2㎏。
经查阅相关资料,改变牙包与方形截面过渡处的半径也是一种有效的优化方案。
实践表明,使用CAD/CAE方法设计驱动桥壳,具有耗时少,效率高,耗资少,变型方便,计算结果全面详尽,劳动强度低等传统设计方法不具备的优点。可以预见,如果CAD/CAE方法在我国的汽车工业企业中得到推广,则必将对我国的汽车工业产生划时代的影响。

参考文献
1 陈家瑞. 汽车构造(第三版). 北京:人民交通出版社,1998
2 张冶, 洪雪, 张泽帮. Unigraphics NX参数化设计实例教程. 北京: 清华大学出版社, 2003
3 丁皓江. 弹性和塑性力学中的有限单元法.北京:机械工业出版社.1994
4 江爱川.结构优化设计.北京: 清华大学出版社,1986
5 宋晓华, 周明安, 巫少龙. 基于UG参数化的产品优化设计. CAD/CAM与制造业信息化, 2004 (5)

开放分享：优质有限元技术文章,助你自学成才