2010汽车驱动桥壳台架试验仿真及验证

·试验·测试·2010年第4期-47-汽车驱动桥壳台架试验仿真及验证高银峰吴斌宋博（陕西汉德车桥有限公司产品研发室）摘要：在Pro/E环境下建立某汽车驱动桥壳3D模型,利用NXNastran软件,按国家驱动桥壳台架试验的标准,在计算机中采用有限元方法模拟其垂直弯曲静刚性试验、垂直弯曲静强度试验和垂直弯曲疲劳试验。同时将有限元计算结果与试验结果进行了对比,吻合较好。因此用有限元模型模拟台架试验的方法是可行的,能实现在设计阶段对试验结果的预测,有效地降低设计成本,缩短设计周期,产生较好的经济效益。关键词：驱动桥壳台架实验仿真验证AutomotivedriveaxlehousingbenchsimulationandverificationGAOYin-feng，WUBin，SONGBoShaanxiHandeAxleCo.,Ltd.R&DOfficeAbstract：InthePro/Eenvironment,theestablishmentofa3Dmodeloftheautomotivedriveaxlehousing,theuseofNXNastransoftware,benchbycountry-drivenaxlehousingstandards,inthecomputersimulationusingfiniteelementmethod,theverticalstaticbendingrigiditytest,theverticalbendingstaticstrengthTestandverticalbendingfatiguetest.Thesametime,finiteelementcalculationresultswiththetestresultswerecomparedingoodagreement.Therefore,thefiniteelementmodeltosimulatebenchmethodisfeasibleandcanachieveinthedesignphaseofthetestresultsoftheforecasts,effectivelyreducedesigncostandshortenthedesigncycle,resultinginbettereconomicbenefits.Keywords：DriveaxlehousingBenchtestSimulationVerification1．引言驱动桥桥壳是汽车上的主要零部件之一，它既是底盘中昀为主要的承载部件，又是汽车运动的主要传力部件，同时还是驱动桥中其它总成(主减速器、差速器、半轴等)的外壳，对它们起到安装支撑和保护的作用。因此，驱动桥壳的刚度、强度和疲劳寿命是设计时必须加以考虑的重要指标。本文通过有限元仿真某重型商用车驱动桥壳台架试验，并结合该桥壳台架试验数据，给出了结果评价，从而说明有限元法仿真桥壳台架试验是可行的。2．桥壳总成有限元模型的建立及边界条件2.1桥壳有限元模型的建立桥壳几何模型是有限元分析前处理的一个重要环节，模型建立的好坏直接关系计算结果的正确与否，而有限元软件所提供的几何建模工具功能相当有限，难以准确、方便地对其建模，针对较复杂的桥壳总成结构，采用三维软件Pro/E来建立几何模型，然后利用NX7.0软件与Pro/E3.0软件数据接口将其导入。轴头与桥壳之间的连接采用粘接、减速器壳与桥壳之间的连接采用了网格协调重合的方式，焊缝构造采用实体单元，其几何结构与实物一致；采用十节点四面体单元对各零件及实体焊缝进行网格划分，前后处理在NX7.0中完成，计算求解采用NXNastran。有限元仿真采用的单位制：mm、N、MPa。2.2边界条件桥壳总成几何参数：轮距1800mm，板簧距930mm，额定轴荷13T；仿真过程中载荷和约束按照·试验·测试·汽车实用技术-48-图1桥壳有限元模型载荷及约束示意图QC/T533-1999《汽车驱动桥台架试验方法》进行设置，有限元模型如图1所示：计算过程中涉及的桥壳总成各零件材料及其固有力学性能参数见表1：表1桥壳总成各零件材料及其力学性能参数零件名称桥壳中段轴头固定环后盖/板簧座/垫压板加强圈主减速器壳材料名称Q460C30Mn2Q345ZG270-50020QT450-10弹性模量/MPa210e3180e3190e3175e3210e3160e3泊松比0.30.280.30.270.260.29屈服强度/MPa460635345270245310抗拉强度/MPa720785570500410450疲劳强度系数96513061114958896929疲劳强度指数-0.0731-0.12-0.1066-0.0979-0.12-0.1047疲劳塑性系数0.28190.3880.37941.09820.411.7341疲劳塑性指数-0.5588-0.559-0.5112-0.7985-0.51-0.8841焊接材料的力学性能依据BS7608标准,结合现有焊接工艺，计算时屈服强度取245Mpa。3．桥壳台架试验方法及评价指标根据QC/T533-1999《汽车驱动桥台架试验方法》的规定，汽车驱动桥壳台架试验包括驱动桥桥壳垂直弯曲刚性试验、垂直弯曲静强度试验、垂直弯曲疲劳试验。试验要求将桥壳平放，安装在台架上。力点为二钢板弹簧座中心，支点为该桥轮距的相应点，或将力点与支点位置互换。支点应能滚动,适应加载变形不致运动干涉。测点位置不少于7点，支点、力点、测点的位置如图2所示：图2支点、力点、测点的位置3.1垂直弯曲静刚性试验在台架垂直弯曲静刚性试验过程中，要求记录满载轴荷和昀大负荷(对载货汽车,按满载轴荷2.5倍计算)时各测点的位移量。计算桥壳昀大位移量与轮距之比，要求满载轴荷时比值不超过1.5mm/m，并画出满载轴荷和昀大负荷下各测点的垂直方向位移量，将其连成折线。为了模拟驱动桥桥壳的台架试验，根据台架试验的实际情况，把受力点选在板簧座上，其中心位置处的载荷用均布力代替，分析模型的支点选在车轮轮距的相应位置，由于台架试验中，支点的位置为部分面接触，为了尽量接近实际，通常对左端轮距位置的若干个点进行X、Y、Z方向自由度的约束，右端轮距位置的若干个节点约束其Y、Z方向的自由度(适应加载变形不致运动干涉)。施加载荷和约束后，即可进行有限元的分析计算，根据计算结果，将各测点的位移量画在平面坐标系中并连成折线。验证满载轴荷桥壳昀大位移与轮距的比值是否小1.5mm/m，若满足条件说明驱动桥壳的垂直弯曲静刚性满足要求。3.2垂直弯曲静强度试验在台架的垂直弯曲静强度试验过程中，要求加载到昀大负荷后，继续加载至破坏，记录失效（断裂或严重塑性变形）载荷，验算失效后备系数，要求失效后备系数大于6。根据QC/T534-1999《汽车驱动桥台架试验评价指标》的规定，驱动桥壳垂直弯曲失效后备系数定义为：·试验·测试·2010年第4期-49-nnPKP=式中nP——驱动桥壳垂直弯曲失效载荷（N）；P——满载轴荷（N）；在有限元分析计算中，驱动桥壳垂直弯曲失效载荷的确定，可利用桥壳昀大应力值达到材料的强度极限对应的载荷代替，但要注意此处的昀大应力值是指排除了支撑造成的应力集中因素之后的应力昀大值。分别试用不同的载荷加载，根据有限元计算结果，当昀大应力值达到材料的强度极限时，对应的载荷即为nP。然后验算失效后备系数是否大于6，若满足条件说明驱动桥壳的垂直弯曲静强度满足要求。3.3垂直弯曲疲劳试验在台架的垂直弯曲疲劳试验过程中，要求先加静载荷，测出桥壳在昀小载荷和昀大载荷时，测点所对应的应力值，然后加脉动载荷，控制昀大载荷和昀小载荷，至桥壳断裂。记录损坏时的循环次数，要求桥壳中值寿命达到80万次，昀低寿命不小于50万次。驱动桥壳垂直弯曲疲劳试验台架仿真是在NXCAE的耐久性分析模块下完成的，基于桥壳额定载荷的有限元应力分析结果可计算得出应力安全系数（StressSafetyFactor），疲劳安全系数（FatigueSafetyFactor）和疲劳寿命（FatigueLife）。需要输入材料的疲劳特性参数（见表1），脉动载荷的昀大值按昀大负荷计算（额定轴荷的2.5倍），昀小值取零。其中应力安全系数是基于等效应力对整体结构强度的评定，计算时按材料的屈服强度（也可按极限抗拉强度），应力类型选VonMises应力（也可选Tresca、MaximumPrincipal、MinimumPrincipal应力）。疲劳安全系数是预测结构任何一部分是否将因循环载荷的作用而失效，它是考虑了疲劳强度系数（FatigueStrengthFactor）因素，其值等于疲劳应力与应力幅的比值。疲劳强度系数是用来校正昀大交变应力产生的影响。疲劳强度因素的考虑，如表面光洁度、表面处理、载荷类型等。缺省值为1，表示没有校正因子被应用，计算时取1.2。疲劳寿命（FatigueLife）评估是否结构在给定的寿命标准下是可行的。寿命标准定义了不同的SN曲线，并确定方程估算疲劳寿命。因此，根据选择的寿命标准所使用的的SN曲线可以计算损伤。计算时疲劳寿命准则选取Smith-Watson-Topper准则（也可选MaximumPrincipalStrainLife、MaximumShearStrainLife、StressLife准则）。给定寿命按80万次计算。将以上相关数据输入程序，可得到垂直弯曲试验的模拟计算结果，验算疲劳寿命是否高于50万次，若满足条件说明驱动桥壳的垂直弯曲疲劳强度满足要求。4．驱动桥壳台架试验仿真计算结果4.1垂直弯曲刚性试验仿真通过有限元的计算，可得到桥壳各节点的位移量，对测点进行路径映射可显示至少7个监测点的垂直方向位移，并将各测点的位移量连成折线。满载轴荷下桥壳的昀大变形为1.736mm，与轮距之比为0.964mm/m，按QC/T534-1999《汽车驱动桥台架试验评价指标》规定满载轴荷时每米轮距昀大变形不超过1.5mm，可见该桥壳的每米轮距变形量符合国家标准,故其垂直弯曲刚度满足要求。同样，计算2.5倍满载轴荷下桥壳模型的各节点的位移量,可将各测点的位移量连成折线,昀大变形量为4.341mm。额定载荷（13T）下桥壳总成有限元计算位移云图如图3所示：2.5倍载荷（32.5T）下桥壳总成有限元计算位移云图如图4所示：额定载荷下对测点的垂直方向位移进行路径映射形成的折线图如图5所示：4.2垂直弯曲静强度试验仿真驱动桥壳在满载工况下，各点应力计算结果除约束点和网格畸变导致求解出现应力集中外,应力较大区域位于垫压板至桥壳大圆弧的上下表面以及桥壳方圆过渡处,应力值标定如图6-1所示：应力值为130～170MPa左右。而驱动桥壳垂直弯曲失效载荷的确定，用桥壳应力值达到材料的强度极限对应的载荷代替。根据GB，桥壳材料的强度极限取720MPa，则驱动桥壳垂直弯曲失效后备系数nK=4.24～·试验·测试·汽车实用技术-50-5.54。根据试验评价指标nK6的要求，可得出结论桥壳垂直弯曲失效后备系数不符合标准要求。2.5倍载荷工况下桥壳总成应力云图如图6-2所示：额定工况下焊缝除产生应力集中处昀大应力为193.9MPa外，与桥壳贴合焊接处应力为90～150MPa，其余地方应力值均较低，其应力云图如图7所示：图3额定载荷位移云图（变形效果放大5倍）图42.5倍载荷位移云图（变形效果放大5倍）图5额定载荷测点位移路径映射折线图图6-1额定载荷应力云图图6-22.5倍载荷应力云图图7额定载荷焊缝应力云图4.3垂直弯曲疲劳试验仿真根据额定载荷计算的应力结果及各参数的输入得出应力安全系数、疲劳安全系数及疲劳寿命分别如图8、9、10-1、10-2和10-3所示：图8应力安全系数云图图9疲劳安全系数云图·试验·测试·2010年第4期-51-图10-1疲劳寿命云图（桥壳方圆过渡易断区域）图10-2疲劳寿命云图（固定环焊缝易断区域）图10-3疲劳寿命云图（桥壳大圆弧下表面易断区域）应力安全系数和疲劳安全系数大于1的区域为安全区域，疲劳寿命值越大越好