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1、桥壳的有限元分析及结构优化刘 斌( 上海汇众汽车制造有限公司)【 摘要】 文章采用 CAD/CAE 技术, 对斯太尔桥壳进行有限元分析计算, 克服了原斯太尔桥壳不适应中国国情的部分, 保留了该产品先进的地方, 达到了预期的目的。【 主题词】 有限元桥壳 汽车1 概述在零部件的结构设计中, 设计者的重要任务之一就是采取合理的优化结构 , 确保零部件的寿命,使其不早期损坏 ; 同时又能使材料得到最大限度的使用。为完成这一任务, 就必须在产品的图纸设计阶段通过建立基本的物理和数学模型 , 对所设计的产品进行强度、寿命及特性预测 ,从而指导产品设计, 使产品设计指标得以保证 。有效地提高了设计产品的可
2、行性, 缩短了设计周期 。以汽车寿命设计为例 , 如果用传统的经验设计并通过试验校核的方法进行设计工作的话 , 由于结构的复杂性, 在设计过程中往往无法知道局部及总体强度等指标是否满足设计要求 ,只能通过一次又一次的试验来验证 , 并用验证的结果对设计进行修正 ,这样才能得到较高可靠性的产品 。但是这样做需要很长的设计周期及很高的设计试制、和试验费用 。采用 CAD/CAE 技术, 在汽车概念设计的同时 ,就能建立起整车的有限元分析模型,进行静态 、动态分析, 随着设计图纸的一步步完善,汽车结构的有限元模型也进一步细化 ,使分析计算的结果更趋于准确。这样, 在图纸完备后, 就能使整车的强度 、
3、 寿命指标得到控制, 大大节省了样件的制作和试验时间。CAD/CAE 技术不但对汽车整车或车身等大型结构的宏观控制发挥作用,对于解决局部强度问题也非常有效 。如桥壳 、车架 、 气门挺杆和气门弹簧等零件的有限元分析计收稿日期: 2004-05-11算都给这些零部件的设计提供很大的帮助。2 桥壳的应力计算斯太尔桥壳有两种规格,一种是截面为 130 13014mm , 额定轴荷为 13t ; 另外一种截面为130130 19mm , 额定轴荷为 16t 。两种桥壳的材料均为 16Mn。国产化后 ,由于我国材料的壁厚标准与德国 DIN 标准不尽相同 ,DIN 标准中的厚钢板壁厚公差为 01. 3mm
4、 ,而我国的厚钢板的壁厚公差为 -0. 5 +0. 8。因此, 国产化后的材料壁厚分别为 16mm 和 20mm 。斯太尔桥壳是按欧洲标准和欧洲的使用条件设计的 。欧洲的路况比较好 ,整车在使用时也不超载, 加上斯太尔车的悬架系统的减振性能很好 ,因此, 该桥壳截面设计得比较小。在欧洲完全能够满足使用要求。斯太尔技术引进到中国后, 中国的具体情况与欧洲的情况有很大的不同 ,路况比较差 ,给桥壳的冲击载荷较大 ; 超载现象非常严重, 一般用户超载都在 50%以上 ,即额定轴荷为 13t 的桥总成, 实际的载重量在 1820t 左右 ,所以 ,在使用时经常有用户反映斯太尔桥壳的刚度小 ,造成桥壳变
5、形的情况比较普遍。为使斯太尔桥壳能够满足中国的使用情况 ,必须对该桥壳进行加强。既要满足用户的使用要求 ,又不能使整车的装配和技术参数有较大的变化 。为此, 设计了 4 套方案( 见表 1) :( 1) 方案一 : 将桥壳截面增加为 150 130 16mm , 而桥壳中间的牙包尺寸保持不变;23上海汽车2004. 8设计研究 ( 2) 方案二 : 将桥壳截面增加到 150 130 16mm , 桥壳中间的牙包尺寸也相应增加 20mm ;( 3) 方案三: 桥壳截面保持不变 , 在桥壳焊接结束后,采用淬火工艺, 提高材料的强度 , 同时消除桥壳冲压成型产生的内应力 ;( 4) 方案四 : 用斯
6、太尔 16 吨级的桥壳代替 13吨级的桥壳。表 14种方案的技术参数单位: mmD1D2D3D4D5斯太尔结构130150220392330方案一160200220392330方案二160150220413330方案三130150220392330方案四130150220392330注: 方案 4 中桥壳材料的壁厚为 20mm, 其余材料的厚度为16mm。桥壳有限元分析计算在 DEC ALPHA 工作站进行 , 所使用的软件为 MSC/PAT RAN( V6 . 2) 、PRO/ENGINEER( V15) ,桥壳中段的几何模型在PRO/E 上完成 ,有限元模型在 MSC/PATRAN 上完成
7、,桥壳总成包括桥壳中段、轴头和板簧座等。为了简化计算 , 省略了桥壳后盖和主减速器壳对桥壳刚度的影响 。桥壳为 8 节点 SOLID( 实体) 单元,由于在计算中只考虑板簧座对桥壳的作用, 因此把板簧座简化为 4 节点 SHELL( 板壳) 单元, 板簧座与桥壳面接触位置用 TRUSS 单元来描述, 板簧座与桥壳的焊接位置用等效的 BEAM( 梁) 单元来描述 。4 种桥壳的单元均为 7000 个左右, 节点均为 1. 3 万个左右。材料及有关特性材料 : 16 Mn弹性模量: 2. 1105N/mm2泊松比: 0. 3密度 : 7. 85 10-6kg/mm3单元参数SHELL 单元 : 厚
8、度为 10mmTRUSS 单元: 面积为 314 mm2BEAM 单元 : 面积为 132 mm2IX= IY= 1406 Nmm2为了便于计算, 在建立数学模型时 ,省略了桥壳的后盖和主减速器壳 , 同时省略了桥壳上焊接的连接板总成 ; 不考虑制动法兰对计算结果的影响 ,不考虑轴头焊缝及嵌入环对计算结果的影响 ,将轮毂内外轴承的两个受力点简化成一个受力点 ,不考虑内外轴承两个受力点对轴头产生的附加弯矩。此次计算只考虑垂直载荷对桥壳的作用 ,其他方向力对桥壳的影响不进行计算 。4 种桥壳的约束一致,均在整个模型加有两处约束, 分别处在桥壳接近轴头的下半园 ,为垂直方向的约束( 见图 1) 。图
9、 1桥壳的约束和载荷示意简图4 种桥壳的载荷一致,均为在板簧座上与板簧接触部分均匀分布的载荷( 2. 5 13t , 13t 为额定载荷, 2. 5 为动载系数) ,在板簧座的 4 个固定螺栓孔位置分别加上了 2 万 N 的予紧力( 见图 2) 。在计算中考虑了桥壳的自重 。图 2有限元网格划分、载荷和约束情况对上述工况的 4 种桥壳分别进行有限元分析 ,其应力及变形结果见图 3。图 3桥壳的三维模型24上海汽车2004. 8设计研究 根据计算结果 ,可以得出以下结论: 4 种桥壳的最大 变形均在桥壳 中段, 分别为 3. 10mm 、4. 06mm 、 2. 97mm 、2 . 98mm 。
10、4 种桥壳的应力集中点均在桥壳中段和方形截面过度处 , 分别为246. 0、 343. 0、266. 7 、236. 0( 注 : 16 Mn 的屈服强度为 340) 。同时 ,可以看出过度圆角越大 ,其应力集中系数越小( 见表 2) 。表 24种桥壳的最大变形和等效应力相对值桥壳斯太尔桥壳方案一方案二方案四最大变形1. 3110. 960. 96等效应力1. 3910. 961. 08对于方案一来说, 由于除了桥壳的截面由原来的 130 130mm 改为 150 130mm 以外 , 其他尺寸与原来完全相同 ,不影响整车的其他参数, 因此,对整车来说是一种比较好的方案。对于方 案二 , 由于
11、 将牙 包的 尺寸 增加 了20mm ,使得整车的最小离地间隙减小 10mm 。对于普通载货车而言, 并无影响 。但对于通过性要求较高的军用车和越野车来说就会有一定的影响。虽然方案二的计算结果表明, 其应力值最小,但综合其他方面的因素, 此方案还需商榷。方案三是采用热处理来消除冲压产生的内应力,同时提高材料的抗拉强度 ,在不提高桥壳刚度的前提下, 通过提高材料的强度来减小桥壳在使用过程中产生的残余变形 , 从而满足用户的使用要求。但是 , 此方案将产生一些不利的影响 。首先桥壳材料的强度提高后 ,其疲劳寿命会下降; 其次,由于桥壳的形状比较大, 在进行热处理时会受到加热炉空间的限制 ,使生产效
12、率大大降低 ; 同时由于热处理后产生的变形还需要进行校正 , 对于校直相对比较简单 , 而对于扭曲变形的校正则非常困难,所以该方案使得成本增加很大 。方案四是利用原斯太尔 16T 的桥壳来代替13T 的桥壳。斯太尔 16T 桥壳的设计主要考虑最大限度的与 13T 桥壳的连接尺寸的一致性, 因此,其他方面的因素考虑得较少。斯太尔 16T 桥壳的截面为 13013019mm 。因为考虑到与 13T 桥壳的通用性 ,所以截面的外形尺寸与 13T 桥壳保持一致。这一点从整车设计来考虑是可以接受的 。但从桥壳设计的角度出发, 这一种设计是不可取的设计方案。首先桥壳壁厚往里面增加 , 使得材料的利用率下降
13、 ; 其次, 由于材料的壁厚增加了 ,使得桥壳在冲压成型时, 内应力增加很大 , 如果不采取相应的热处理措施来消除内应力 , 其结果还不如原来 13T 桥壳的强度 。这一点已经从试验结果中得到证实。16T 桥壳在进行垂直刚度试验时, 出现塑性变形的载荷比 13T 桥壳出现塑性变形的载荷还小。从工艺性角度出发 , 冲压性能较好的材料厚度一般在 1014mm 之间 , 最大不能超过 16mm 。3 结论综合以上分析, 目前采用了方案一 ,即只将桥壳的截面从 130 13016mm 提高到 150 130 16mm ,其他的尺寸都不变 。这样, 虽然其应力状况并不是最小, 但只比最小应力的方案大 4
14、%。而这种方案带来的好处就更多。首先能够满足军用车的最小离地间隙的要求 ,军用车和民用车完全通用 ,减少了成品和零部件的品种; 其次, 有效地提高了桥壳的刚度 , 满足所有用户的使用要求 ; 最后, 与原来的产品相比改动量最小, 不会因此而影响生产 。目前,现生产就是采用这一方案 。通过几年的实践证明 , 对于斯太尔桥壳的计算和设计修改是成功的 , 克服了原斯太尔桥壳不适应中国国情的部分 ,同时保留了该产品先进的地方 ,达到了预期的目的。AbstractThis paper uses CAD/CAE technology to conductfinite element analysis and calculation for Steyr s axlehousing , solves the problem that some parts can t suitthe conditions in China , keeps its advantages andachieves the expected goal .25上海汽车2004. 8设计研究