搜索車輛驅(qū)動(dòng)橋動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)
2013-06-20 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
介紹了應(yīng)用UG/NX軟件對(duì)汽車驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法,并對(duì)某輕型貨車建立了其驅(qū)動(dòng)橋殼的動(dòng)力學(xué)模型。在考察其變形、強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上,對(duì)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。
羊 玢 孫慶鴻 王 睿 鄭燕萍 來源:e-works
關(guān)鍵字:CAE 動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì) UGS
1 前言
車輛驅(qū)動(dòng)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(dòng)車輪的軸向相對(duì)位置固定;同從動(dòng)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(dòng)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)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(dòng)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。
目前,車輛驅(qū)動(dòng)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(dòng)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。
2 UG軟件簡(jiǎn)介及其結(jié)構(gòu)分析方法
Unigraphics(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(dòng)分析、動(dòng)力學(xué)分析和仿真模擬,提高設(shè)計(jì)的可靠性。
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:
(1)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;
(2)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;
(3)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;
(4)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。
3 有限元分析模型的建立
對(duì)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(duì)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(duì)三維模型去掉那些對(duì)分析影響不大的特征(如倒角、圓角等)和一些小孔。
采用UG/Scenario for structure進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分網(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(dòng)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
4 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(huì)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(duì)其應(yīng)力分布、變形等進(jìn)行計(jì)算和校核。
進(jìn)行分析、評(píng)估和校核的項(xiàng)目如下:
(1)后橋殼垂直彎曲強(qiáng)度和剛度計(jì)算
(2)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(dòng)橋滿載后軸重為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7850㎏/m ,根據(jù)國(guó)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[σ]s=510~610 MPa。
試驗(yàn)數(shù)據(jù): 滿載荷最大位移1.5㎜。
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(guó)家標(biāo)準(zhǔn),橋殼最大變形量不超過1.5㎜/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)建立的有限元分析模型,通過PE solve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3 2.5倍滿載荷條件下的位移
圖4 2.5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(guó)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[σ]s。
綜上分析,8㎜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。
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8㎜的驅(qū)動(dòng)橋殼的一階頻率與試驗(yàn)絕對(duì)誤差為:
(149-132.2)/149×100%=11.2%
小于經(jīng)驗(yàn)值20%,說明模型的可靠性是有保證的。
5 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。
圖5 迭代質(zhì)量變化曲線
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)50.72㎏,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(dòng)橋殼的生產(chǎn)。
6 結(jié)論
利用UG軟件建立了驅(qū)動(dòng)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(dòng)橋殼具有足夠的強(qiáng)度和剛度,這為該型驅(qū)動(dòng)橋殼的輕量化設(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4.2㎏。
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(dòng)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(dòng)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(guó)的汽車工業(yè)企業(yè)中得到推廣,則必將對(duì)我國(guó)的汽車工業(yè)產(chǎn)生劃時(shí)代的影響。
參 考 文 獻(xiàn)
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3 丁皓江. 彈性和塑性力學(xué)中的有限單元法.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1994
4 江愛川.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).北京: 清華大學(xué)出版社,1986
5 宋曉華, 周明安, 巫少龍. 基于UG參數(shù)化的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì). CAD/CAM與制造業(yè)信息化, 2004 (5)
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