基于參數(shù)化的車輛驅(qū)動橋殼動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、作者：羊玢孫慶鴻王睿摘要：介紹了應(yīng)用UG/NX軟件對汽車驅(qū)動橋殼進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法，并對某輕型貨車建立了其驅(qū)動橋殼的動力學(xué)模型。在考察其變形、強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上，對影響橋殼強(qiáng)度和剛度的因素進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，并進(jìn)行了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，這種方法提高了精度和效率。關(guān)鍵詞：車輛驅(qū)動橋殼動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)1.前言車輛驅(qū)動橋殼的功用是支承并保護(hù)主減速器、差速器和半軸等，使左右驅(qū)動車輪的軸向相對位置固定；同從動橋一起支承車架及其上的各總成重量；汽車行駛時(shí)，承受由車輪傳來的路面反作用力和力矩，并經(jīng)懸架傳給車架。驅(qū)動橋殼應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，質(zhì)量小，并便于主減速器的拆裝和調(diào)整。由于橋殼的尺寸和質(zhì)

2、量比較大，制造較困難，故其結(jié)構(gòu)型式在滿足使用要求的前提下，要盡可能便于制造。驅(qū)動橋殼可分為整體式橋殼和分段式橋殼兩類。整體式橋殼具有較大的強(qiáng)度和剛度，且便于主減速器的裝配、調(diào)整和維修，因此普遍應(yīng)用于各類汽車上1。目前，車輛驅(qū)動橋殼的設(shè)計(jì)大多還是圖解法，這種設(shè)計(jì)計(jì)算量大且很復(fù)雜，精度不高。應(yīng)用計(jì)算機(jī)的可視化技術(shù)和參數(shù)化造型和建模能力，在車輛的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行三維實(shí)體建模，并利用有限元分析方法進(jìn)行滿載荷靜力學(xué)分析,2.5倍滿載軸荷下的垂直彎曲強(qiáng)度和剛度計(jì)算，并進(jìn)行模態(tài)分析和參數(shù)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化。從而提高車輛驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，減少實(shí)際試驗(yàn)研究費(fèi)用和時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。UG軟件簡介及其結(jié)構(gòu)分析方法Unig

3、raphics(UG)CAD/CAM/CAE系統(tǒng)提供了一個(gè)基于過程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境，使產(chǎn)品開發(fā)從設(shè)計(jì)到加工真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成，從而優(yōu)化了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造。而且，在設(shè)計(jì)過程中可進(jìn)行有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析、動力學(xué)分析和仿真模擬，提高設(shè)計(jì)的可靠性2。通過在實(shí)踐中運(yùn)用UG軟件，作者總結(jié)了一套結(jié)構(gòu)分析方法和分析步驟：參數(shù)化建模：包括建立構(gòu)件的實(shí)體模型，建立設(shè)計(jì)變量，并施加約束和載荷等；滿載荷靜力學(xué)分析：確定8mm橋殼每米輪距變形量和最大許可應(yīng)力值；結(jié)構(gòu)模態(tài)分析：確定不同設(shè)計(jì)變量下的結(jié)構(gòu)固有頻率及振型，并與試驗(yàn)值比較；參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)：在指定優(yōu)化目標(biāo)、定義約束和定義變量之后，計(jì)算出最優(yōu)結(jié)果。有限元

4、分析模型的建立對產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)化建模，可以用參數(shù)建立起零件內(nèi)各特征之間的相互關(guān)系。同時(shí)，通過設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定的關(guān)聯(lián)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)部件的關(guān)聯(lián)改變，可以有效地減少設(shè)計(jì)改變的時(shí)間及成本，并維護(hù)設(shè)計(jì)的完整性。設(shè)計(jì)軟件采用UG/NX,基于自頂向下(Top-Down)原則對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)和UG/WAVE技術(shù)建立起零部件之間的幾何和位置的相關(guān)性。建立好的參數(shù)化模型如下：圖1參數(shù)化模型由于部件三維模型中的細(xì)節(jié)將影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格分布，增加網(wǎng)格的數(shù)量，使模型過于復(fù)雜。因此，對三維模型去掉那些對分析影響不大的特征(如倒角、圓角等)和一些小孔。采用UG/Scenarioforstructure進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分

5、網(wǎng)格時(shí)選用四面體10節(jié)點(diǎn)單元(四面體10節(jié)點(diǎn)單元具有較高的剛度及計(jì)算精度)，全局單元尺寸大小為18.3，進(jìn)行網(wǎng)格自動劃分，建立起橋殼有限元網(wǎng)格模型，共有63218個(gè)節(jié)點(diǎn)，32293個(gè)單元。圖2有限元模型橋殼結(jié)構(gòu)有限元分析4.1有限元分析方案后橋是汽車中的重要部件，它承受著來自路面和懸架之間的一切力和力矩，是汽車中工作條件最惡劣的總成之一，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)會造成嚴(yán)重的后果。為保證后橋設(shè)計(jì)的可行性和工作的可靠性，在設(shè)計(jì)過程中必須對其應(yīng)力分布、變形等進(jìn)行計(jì)算和校核。進(jìn)行分析、評估和校核的項(xiàng)目如下：后橋殼垂直彎曲強(qiáng)度和剛度計(jì)算后橋總成模態(tài)分析，計(jì)算后橋殼總成的固有頻率及振型橋殼的相關(guān)數(shù)據(jù)：驅(qū)動橋滿載后軸重

6、為5.5T,簧距880mm，輪距1586mm，板簧座上表面面積7079mm2，面載荷為材料09SiVL-8的彈性模量為5Mpa,泊松比為0.3,材料密度為7850kg/m，根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，垂向載荷均取為橋殼滿載負(fù)荷的2.5倍即為9.5MPa。材料許可應(yīng)力s=510610MPa。試驗(yàn)數(shù)據(jù)：滿載荷最大位移1.5mm。4.2結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析計(jì)算橋殼的垂直彎曲剛度和強(qiáng)度的方法是將后橋兩端固定，在彈簧座處施加載荷，將橋殼兩端6個(gè)自由度全部約束，在彈簧座處施加規(guī)定的載荷。當(dāng)承受滿載軸荷時(shí)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，橋殼最大變形量不超過1.5mm/m，承受2.5倍滿載軸荷時(shí)，橋殼不能出現(xiàn)斷裂和塑性變形。根據(jù)建立的有限元分

7、析模型，通過PEsolve解算器，計(jì)算了部件在2.5倍滿載荷條件下的位移和應(yīng)力。圖32.5倍滿載荷條件下的位移弘I事!4.霍和：rix口inn圖42.5倍滿載荷條件下的應(yīng)力其結(jié)果如下：最大位移為1.561mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在半軸套管約束處，為659.9Mpa,每米輪距的變形量為1.561mm/1.586m=0.98mm/m,小于規(guī)定的1.5mm/m,符合國家相關(guān)規(guī)定。從圖4可以看出，在橋殼方形截面與牙包過渡的地方，其應(yīng)力為280MPa左右，遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力。綜上分析，8mm厚度的橋殼本體是完全符合橋殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的。4.3結(jié)構(gòu)模態(tài)分析改變橋殼本體厚度做模態(tài)分析，結(jié)果如表1所示。表1不同厚度、模

8、態(tài)橋殼的頻率75mtn7illni6.5mm6mm5mmMt嗣1322144.21453146.5147J150.0220,1220,-6221.4的u_iiiaj222.%223.5Mode?342.5343-6343.5S435342.933&AMode44579455.5454.1452.2446.yMcdcS492-5492-4492-049J.04K9.14K0.1從上表可以看出，在厚度降低時(shí)，橋殼的固有頻率是在不斷地增加的，說明降低橋殼的厚度可以提高其低階固有頻率，從而提高橋殼剛度。與試驗(yàn)結(jié)果(一階頻率149Hz)比較，其一階頻率接近試驗(yàn)結(jié)果，橋殼本體厚度為8mm的驅(qū)動橋殼的一階頻

9、率與試驗(yàn)絕對誤差為：(149-132.2)/14900%=11.2%小于經(jīng)驗(yàn)值20%，說明模型的可靠性是有保證的。橋殼優(yōu)化設(shè)計(jì)以重量最小化為定義目標(biāo)，定義約束為許可應(yīng)力。把橋殼的厚度定為設(shè)計(jì)變量，其最大值定為8mm，最小值定為6mm。表2為經(jīng)過20次迭代后的結(jié)果4,5。ILiuAmVJ.圖5迭代質(zhì)量變化曲線W.CpalBiLirfl*L!&Il14怡圖6迭代橋殼厚度變化曲線由表2和圖6可以看出經(jīng)過3次迭代，得到一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)，在7mm時(shí)橋殼的質(zhì)量時(shí)50.72kg,質(zhì)量比原來減輕了4.2kg。在同時(shí)滿足強(qiáng)度和剛度要求的情況下，從而實(shí)現(xiàn)了輕量化驅(qū)動橋殼的生產(chǎn)。表2優(yōu)化分析結(jié)果l23勺5?Mipinun

10、i如54.0fl50.7255(J25.77ffciJiiDesinVariable7.877.47.刊7.717.72g910】i1213M53J153.36549254.9252.99DesignVariable8工口T泊S7.547.5415IS20Minitiwn52.9952SS53.20M2Ss.ooDesign7.51.527.557.il754Variable6.結(jié)論利用UG軟件建立了驅(qū)動橋殼的3D參數(shù)化模型，并利用有限元分析方法進(jìn)行了2.5倍滿載軸荷下的垂直彎曲強(qiáng)度和剛度計(jì)算；并進(jìn)行了模態(tài)分析和參數(shù)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果表明，該型驅(qū)動橋殼具有足夠的強(qiáng)度和剛度，這為該型驅(qū)動橋殼的

11、輕量化設(shè)計(jì)提供了部分依據(jù)，有很大的實(shí)踐指導(dǎo)意義。經(jīng)過優(yōu)化分析，使橋殼本體的厚度由8mm降至7mm，質(zhì)量減少了4.2kg。經(jīng)查閱相關(guān)資料，改變牙包與方形截面過渡處的半徑也是一種有效的優(yōu)化方案。實(shí)踐表明，使用CAD/CAE方法設(shè)計(jì)驅(qū)動橋殼，具有耗時(shí)少，效率高，耗資少，變型方便計(jì)算結(jié)果全面詳盡，勞動強(qiáng)度低等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不具備的優(yōu)點(diǎn)?？梢灶A(yù)見，如果CAD/CAE方法在我國的汽車工業(yè)企業(yè)中得到推廣，則必將對我國的汽車工業(yè)產(chǎn)生劃時(shí)代的影響。參考文獻(xiàn)1陳家瑞.汽車構(gòu)造（第三版）.北京：人民交通出版社，1998張冶，洪雪，張澤幫.UnigraphicsNX參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)例教程.北京：清華大學(xué)出版社，2003丁皓江.彈性和塑性力學(xué)中的有限單元法.北京：機(jī)械