重型矿用汽车后桥壳强度有限元分析

2006年用户年会论文1重型矿用汽车后桥壳强度有限元分析王继新王国强罗世魁[吉林大学]张强薛建民[北方重型汽车股份有限公司][摘要]本文建立了具有油气悬挂的某重型矿用汽车后桥壳3维实体有限元模型。分析了7种典型静载荷工况下后桥壳的应力及变形。对后桥壳进行了模态分析及冲击载荷作用下的响应计算。利用ANSYS的接触非线性功能，讨论了半轴套管与后桥壳的过盈配合对后桥壳强度的影响。[关键词]重型汽车桥壳有限元ANSYS1引言在某重型矿用车后桥的开发过程中，应用ANSYS的有限元仿真功能，分析后桥的破坏原因、确定修补方案；并且研究结构改进，从而缩短设计、试制周期，节省试验和生产费用。因此，ANSYS软件对于提高后桥的可靠性、经济性发挥了重要作用。该矿用车的后桥为5个铸造件的焊接联接、螺栓联接的总成，它承受并传递各种载荷，是整车的关键件。对其进行静强度计算、模态分析是确保车辆安全运行的需要。该后桥共有3种结构，第一种为原设计结构，第二种为返修方案的加筋结构，第三种为改进结构。对每种结构的后桥分别进行了模态分析和7种工况的静强度分析，通过分析确定了改进的设计方案。2.后桥有限元计算模型的建立2.1结构简介该矿用车后桥的主要部分都是铸造件，包括两个半轴套管、一个桥壳、一个主减速器壳、一个A型架。后桥计算需要的主要技术参数见表1，材料参数见表2。表1主要技术参数整车满载质量发动机最大输出转矩总传动比前、后轴距满载整车质心高整车质心距前桥距离80000Kg2237N.m126.63960mm2290mm2748mm表2材料参数弹性模量(Mpa)泊松比密度（kg/m3）屈服极限(Mpa)强度极限(Mpa)2100000.37.8E36558272.2后桥结构的等效简化本次建立的后桥有限元模型为实体模型，模型必须反应危险部位应力，因此有限元模型应尽量保留原实体结构的某些细节。但为减少节点数量，避免浪费，必须对非危险部位的细2006年用户年会论文2节结构进行简化。简化方法是：1）保留危险部位的细节结构；2）略去某些非感兴趣区域的铸造圆角；3）以倒斜角取代倒圆角；4）略去工艺结构；5）忽略不重要区的小孔及小尺寸结构；6）焊缝的联接强度等于铸造件的强度；7）螺栓联接的强度等于铸造件的强度，即认为螺栓联接的两个零件是连续一体的；8）把过盈联接的两个零件看成连续一体的一个零件。2.3单元选择该后桥由铸造件加工而成，需利用三维实体单元模拟其力学特性，所以本次分析选用了20结点等参单元SOLID95和10结点等参单元SOLID92号单元。这两种单元都适合于模拟从CAD软件导入的复杂模型。在模拟销轴约束和油气弹簧约束时，用到了BEAM4梁单元和LINK8杆单元。危险部位需要细划网格，控制网格的方法是：先控制线上的单元份数，面上的单元边长，然后用SHELL93给面划分网格，最后用SOLID95划分体的网格。当所有的体网格都划完之后，把所有四面体型SOLID95单元转化成SOLID92号单元，并删除面上的网格。图1为启动工况的网格、载荷、约束。图1有限元网格及其载荷、约束2.4边界条件及其计算载荷在处理强度计算的位移边界条件时，主要考虑整个后桥壳的支承受力情况。桥壳处于受力平衡状态，因此对后桥的位移边界条件可做如下处理：1）假设简化后的A型架为刚体，只传递力和力矩，其材料的弹性模量为桥壳的1000倍，用球坐标系模拟A型架的球铰。2）用梁单元模拟销轴；再用不同弹性模量的杆单元模拟油气弹簧，约束油气弹簧与车架的铰接的3个平动自由度。3）用梁单元模拟横拉杆的销轴，在销轴的中点上加UZ约束。1）假设轴承对半轴套管的压力在半圆周上按余弦规律分布，侧向力均匀地作用在轴承定位端面上。当半轴套管同时受铅锤向上的力、水平向前或向后的力时，ANSYS可以分两次加载，然后按相加的方式自动求出合力。2）假设制动器的制动力按余弦规律分布在制动器的8个安装孔上。3）忽略主减速绕车辆前进方向的转矩，只将主减速器的绕后桥轴线的转矩简化成作用在主减速器壳端面的分布力。4）轮边减速齿圈的扭矩简化成作用在半轴套管轴头的整个圆周的按柱坐标均匀分布的切向力。3过盈配合产生的预应力桥壳与半轴套管除通过焊缝连接外，还有一段过盈配合连接，半径上的最大过盈量为0.1016mm，最小过盈量为0.0381mm，配合长度为200mm。2006年用户年会论文3过盈配合必然产生预应力，由过盈配合的理论计算公式可以得出：配合直径不变时，半轴套管的内径越大，配合压力越小；桥壳的外径越小，配合压力越小。图2等效应力图配合压力越大，产生的预应力就越大，所以必须根据需要合理控制过盈量。在加强结构的后桥中，半轴套管的内径变小，配合压力增加，预应力将增加。为了确定过盈配合产生的预应力对桥壳的影响，本次分析建立了一个等效模型，模拟半轴套管与后桥壳的装配。该模型中的等效桥壳外直径为330mm，等效半轴套管内直径为210mm，配合直径按实际尺寸，不考虑后桥壳上的安装支架、半轴套管的变厚度。实际上，当桥壳上有安装支架时相当于外径部分增加，会引起配合压力突变。约束刚体位移后，利用ANSYS的接触非线性计算功能计算得配合压力平均在20Mpa。除了配合端部的应力集中外，配合压力产生的等效应力平均在90Mpa，而且应力只在过盈配合段附近比较大，所以过盈配合对桥壳总体强度的影响可以先不考虑。图2为配合压力产生的等效应力。4.静载荷作用下的强度分析4.1计算工况及受力分析本次计算的重要工况为：满载静止工况，启动工况，制动工况，侧滑工况，侧翻工况，动载荷工况。通过下述的受力分析，就可以利用力、力矩平衡计算各个工况的载荷具体数值。在满载静止工况下，车辆静止不动，后桥受到如下的作用力：1）“A”型架铰点的力；2）油气弹簧沿其轴线向下的力；3）地面垂直向上的支反力。动载荷工况时后桥受力与满载静止工况相同，但载荷量值为满载静止工况的2.5倍。在启动工况下，车辆以最大加速度启动，后桥受力包括：1）“A”型架铰点的力；2）油气弹簧沿其轴线向下的力；3）地面垂直向上的支反力；4）地面向前的水平推力；5）行星轮给半轴套管的扭矩；6）减速器壳体向上的力，此力用于平衡轮边行星减速机构太阳轮转矩。在制动工况下，车辆以最大加速度制动，后桥壳受力包括：1）“A”型架铰点的力；2）油气弹簧沿其轴线向下的力；3）地面垂直向上的支反力；4）地面向后的水平推力；5）制动器的等效压力，此力用于平衡制动转矩。在侧滑工况下，车辆向右侧滑，后桥壳受力包括：1）“A”型架铰点的力；2）油气弹簧沿其轴线向下的力；3）地面垂直向上的支反力；4）地面向前的水平推力；5）行星轮给半轴套管的扭矩；6）减速器壳体向上的力；7）地面向左的水平阻力；8）横拉杆向右的水平拉力。在侧翻工况下，车辆向右侧翻，后桥负荷全部集中到右轮上，后桥失去驱动能力，后桥壳受力包括：1）“A”型架铰点的力；2）油气弹簧沿其轴线向下的力；3）地面垂直向上的支反力；4）地面向左的水平阻力；5）横拉杆向右的水平拉力。4.2计算结果本文共分析了3种结构的后桥，综合分析这3种结构的后桥在七种计算工况下的应力得2006年用户年会论文4出：在各工况下，最大应力区域大都在半轴套管轴承内侧截面处、半轴套管与桥壳的过盈配合处，桥壳凸包的两侧。后桥壳无剧烈变形。排除有限元模型中的边界条件简化和结构细部简化等因素引起的误差后，最大应力值和最大应力位置合理，与传统的材料力学方法判断的应力极值、应力极值位置完全吻合。下面把满载静止工况、最大垂直力、启动工况、制动工况的计算结果列成表3，表中应力为vonMises等效应力，图A、图B、图C、图D、图E示出了对应的最大应力位置。表3静强度计算结果满载静止最大垂直力启动工况制动结构形式应力（Mpa）及位置安全系数应力（Mpa）及位置安全系数应力（Mpa）及位置安全系数应力（Mpa）及位置安全系数原结构143图A4.58340图A1.93206图A3.18230图B2.85加筋结构137图C4.78342图C1.92220图D2.98240图E2.73加强结构（圆角半径1.5in）129图A主要截面应力下降很多，应力最大值的区域很小5.08322图A主要截面应力下降很多，应力最大值的区域很小2.03173图A主要截面应力下降很多，应力最大值的区域很小3.79224图B主要截面应力由142--180下降到112--1682.92加强结构（圆角半径3in）94图A6.97235图A2.97145图A4.5245图B2.672006年用户年会论文5图A图B图C图D图E这3种结构后桥的半轴套管在内侧轴承处的结构相同，所以在侧滑、侧翻工况时，结构的危险区域一致、应力值基本相同。在侧滑极限工况的静强度安全系数1.28。在侧翻极限工况时内侧轴承的圆角处由于应力集中，出现局部屈服，但不会断裂，距离断裂的安全系数为1.31。4.3静强度计算结论制动工况的危险截面与最大垂直力工况的危险截面不同，最大垂直力工况的危险截面在内侧的制动器安装支架圆角，最大制动力工况的危险截面在外侧的制动器安装支架圆角，所以加大内侧制动器安装支架处的圆角半径对制动工况的应力峰值几乎没有影响。另外经过多次计算，发现圆角半径从1.5in开始加大，内侧制动器安装支架的圆角处的应力集中程度逐渐下降。虽然加筋结构与原结构相比，有应力集中的圆角处应力明显下降，但加强筋与半轴套管的焊接焊缝处有应力集中，在使用过程中，加强筋的焊缝可能先发生破坏。加强结构的危险截面应力比原结构下降了1.22倍，加大圆角半径后，圆角处的应力集中更小。5.模态分析后桥在使用过程中将受到多种激励而发生疲劳破坏，分析模态、振型，了解其动态特性，对于改进后桥的设计，提高疲劳寿命很有意义。模态分析是谐响应分析和瞬态动力学分析的基础。本次计算分析了3种结构后桥的固有频率，在计算过程中没有考虑过盈配合的影响,认为半轴套管与桥壳是连续一体的。加强结构的前16阶固有频率如表4，前6阶为刚体振动频率（表中未列出），从第七阶开始表现为弹性振动，影响后桥的局部变形。其中第七阶振型为在水平面内的弯曲振动，第八阶振型为在垂直面内的弯曲振动，图3、图4为对应的振型图。原结构后桥的前16阶固有频率与加强结构的相差不大，这是因为原结构与加强结构的质量相差不大、整体刚度相差不大。表4阶次78910111213141516频率（Hz）174.3232.3322.4338.0357．3363．0376．7384．3462．6500．42006年用户年会论文6图3第七阶振形图4第八阶振形5.冲击载荷作用下后桥的响应本文还建立了整车的简单模型，该模型由地面、轮胎、油气弹簧、A型架、集中质量构成，使用的单元类型为COMBIN40、CONTAC26、BEAM3、MASS21。考虑油气弹簧的阻尼、弹簧刚度，但假设其弹簧是线性变化的，阻尼和速度成正比；假设轮胎为无阻尼的线性弹簧；假设车身为刚性梁；轮胎、非悬挂质量、悬挂质量按集中质量处理。利用该模型模拟车辆的垂向振动及其动载荷系数时，因为只考虑垂直方向的特性，所以把水平方向的自由度约束住。计算工况为前后车轮同时陷入400mm的凹坑，计算结果见图5所示的后桥垂直方向的位移、图6所示的后轮总支反力。取出曲线的最大值，得到动载荷系数为3.2。图5后桥垂直方向的位移图6后轮总支反力6.结论本文利用ANSYS软件计算了某矿用汽车后桥的静强度、模态及其冲击载荷作用下的响应，得到了真实可信的结果，从而确定了返修方案和改进方案。依据分析结果，还可为即将展开的载荷谱测试提供指导，确定应力测试的贴片位置，收到事半功倍的效果。待测试完载荷谱后，可以利用ANSYS进行疲劳强度的计算。2006年用户年会论文7参考文献[1]王国强主编.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践.西北工业大学出版社.1999,8[2]于长吉，于学兵.重型汽车结构现代设计.大连理工大学出版社.1998,4[3]刘惟信主编.汽车设计.清华大学出版社.2001,7[4]刘惟信编著.驱动桥.人民交通出版社.1987,6[5][美]M.M.凯墨尔