ANSYSWORKBENCH在桥壳失效原因分析中的应用

ANSYS_WORKBENCH在桥壳失效原因分析中的应用发表时间：2008-8-9作者:特约撰稿人郭迎春来源:e-works关键字:AnsysWORKBENCH桥壳强度辽宁曙光汽车集团股份有限公司开发的65型驱动桥桥壳在顺利完成台架强度、刚度试验后，在进行疲劳耐久性试验时却发现个别桥壳在桥管与半轴套管焊接处出现局部早期开裂，导致疲劳寿命无法全部满足国家相关标准法规和用户要求，而且存在同一批次的几根试验桥，寿命差距很大，为找出此现象原因，我们利用ANSYS_WORKBENCH软件进行相关结构分析，并结合其它检测手段，印证了该处早期破坏的主要原因是由于个别桥壳在该处的焊接质量不好造成的。[摘要]辽宁曙光汽车集团股份有限公司开发的65型驱动桥桥壳在顺利完成台架强度、刚度试验后，在进行疲劳耐久性试验时却发现个别桥壳在桥管与半轴套管焊接处出现局部早期开裂，导致疲劳寿命无法全部满足国家相关标准法规和用户要求，而且存在同一批次的几根试验桥，寿命差距很大，为找出此现象原因，我们利用ANSYS_WORKBENCH软件进行相关结构分析，并结合其它检测手段，印证了该处早期破坏的主要原因是由于个别桥壳在该处的焊接质量不好造成的。1前言辽宁曙光汽车集团股份有限公司研制生产的65型驱动桥，是为国内主机厂配套的主要车桥产品，在研制之初台架试验时，发现同一批次的产品疲劳寿命相差很大，有近一半样件不能满足疲劳寿命要求，出现早期断裂。为找到失效原因，在对失效样桥断口进行分析后，初步判断可能是由于焊接质量不高，导致局部缺陷而影响了整桥寿命，为验证这一初步分析结论，并为后续装车实验、产品定型和批量生产工艺改进提供理论指导，我们利用ANSYS_WORKBENCH软件中的接触功能对该桥的不同焊接质量进行了有限元模拟分析。2国内外汽车驱动桥桥壳分析的研究和发展概况汽车的驱动桥位于传动系的末端，其基本功能是增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩，将转矩分配给左、右驱动车轮，并使左、右驱动车轮具有汽车行驶运动学所要求的差速功能；同时，驱动桥还要承受作用于路面和车架或车厢之间的铅垂力、纵向力和横向力。在一般的汽车结构中，驱动桥包括桥壳、差速器、驱动车轮的传动装置及主减速器等部件。驱动桥桥壳，是汽车上的重要零部件之一，而非断开式驱动桥的桥壳又同时起着支承汽车荷重的作用，并将载荷传给车轮。在汽车行使过程中，桥壳承受复杂的载荷作用，作用驱动车轮上的牵引力、制动力、侧向力和垂向力也是经过桥壳传到悬挂及车架或车厢上。因此桥壳既是承载件又是主要的传力件，同时它又是主减速器、差速器及驱动车轮传动装置（如半轴）的外壳，设计时必须考虑在动载荷下桥壳有足够的强度和刚度。对于驱动桥桥壳这样几何形状与组成、加工工艺与工序等都比较复杂的机械零部件，由于受载后的应力分布，疲劳性能一般不太容易通过标准试件的试验得到，理论计算也难以把各种工艺条件等都反映在其分析模型中。因此在它们的制造过程中，为了保证一些关键工艺的质量（如冲压质量、焊接质量等），往往规定要定期从生产线中随机抽取样品进行实物桥壳的垂直弯曲刚度、弯曲静强度、疲劳等一系列试验。根据各种试验中出现的应力集中位置、疲劳裂纹位置、长度来判别、认可产品的制造质量。这是一个反复修改和调整的过程，费时费力。如果在设计或检测过程中，建立驱动桥壳的有限元模型，在计算机上模拟相关试验，再通过小部分抽样实验，则会使设计和检测过程缩短，减少抽样数目，降低生产成本，产生较好的经济社会效益。365型驱动桥桥壳的3D实体模型和有限元模型建立3.1桥壳的结构组成及3D实体模型的建立。65型桥壳属于整体式钢板冲压焊接式桥壳。CAD装配设计图如图3.1所示图3.1二维CAD工程装配图利用PRO/E软件进行3D建模后通过接口读入ANSYS_WORKBENCH后进行适当简化得到的几何模型如图3.2所示。图3.2导入ANSYSWORKBENCH中的3D几何装配图3.2有限元分析模型的建立利用已经简化好的几何模型，在ANSYS_WORKBENCH内对其进行有限元网格划分，划分网格后得到总计154729个单元，363277个节点的有限元计算模型如图3.3所示：图3.3简化后有限元网格模型3.3桥壳主要材料参数桥壳本体材料采用B510L，弹性模量为200GPa；泊松比0.3；屈服应力355MPa，屈服极限610MPa。4驱动桥的试验方法、试验结果及结果初步判定4.1台架试验方法及评价指标要求台架试验是为了取得汽车零件是否达到预期性能的判断数据，因此要选择能正确反映实际性能的方法。本文采用《中华人民共和国汽车行业标准》QC/T533一1999汽车驱动桥台试验方法。(l)试验目的：检查驱动桥桥壳的垂直弯曲刚度和垂直弯曲强度，计算其抗弯后备系数。(2)试验样桥：共取同一批次试验样桥五根。(3)试验方法：液压疲劳试验和(或材料试验机)、液压千斤顶、百分表(或位移传感器)等。(4)试验程序：把安装有后盖的桥壳安装在支架上，桥壳必须放平。如力点为二钢板弹簧中心，则支点为该桥轮距的相应点。或者将力点和支点位置互换。安装时加力方向应与桥壳轴管中心线垂直，支点应能够滚动，以适应加载变形不至于运动干涉。安装之后应加载至满载轴荷2~3次，卸载后进行正式测量。卸载至零时，调整百分表至零位，测点位置不应少于7点。测点位置如图4.1。应缓慢加载，从零开始记录百分表或位移传感器，用应变仪检测负荷。每根桥壳最少测3遍。每次试验开始时都应把量表调至零。当进行桥壳垂直弯曲静强度试验时，加载至2.5倍满载轴荷时，取下百分表，依次加载至破坏，中间不得反复。记录失效（断裂或严重塑性变形）荷载。(5)垂直弯曲刚度试验评估指标：满载轴荷时每米轮距最大变形不超过1.5mm。(6)垂直弯曲静强度试验评估指标：垂直弯曲破坏后备系数应大于6。(7)垂直弯曲疲劳寿命试验评估指标：垂直弯曲疲劳寿命大于80万次。4.2台架疲劳试验结果台架疲劳试验结果如表4.1：表4.1台架疲劳试验结果样桥序号1#2#3#4#5#技术要求（x104次）80样桥损坏时累计循环次数（x104次）103.347.68100.1849.25111.27试验中统一批次的五根样桥中1#,3#,5#超过100万次未出现断裂现象，2#，4#则分别在47.68万次，49.25万次时在右侧板簧托架附近桥壳与半轴套管连接处的焊接缝处断裂。断裂处图片如图4.1，4.2所示图4.1断裂部位图片图4.2断裂部位图片4.3台架疲劳试验结果原因初步判定首先从桥壳的断裂位置分析，都处于位于荷载施加部位附近的桥管连接焊缝处。从宏观观察可隐约地看到从外向里疲劳辉纹，属于典型的钢的疲劳辉纹，焊缝表面存在轻微咬边缺陷，过渡欠平缓，初步判断该后桥属于高周疲劳破坏，即疲劳试验的交变载荷下引发桥壳产生微裂纹，微裂纹继续发成裂缝，裂缝扩展到一定时候，桥壳强度不足，引起桥壳突然断裂。为验证桥壳的早期断裂是由于焊接质量不高导致的，我们试图通过有限元法分析技术对不同焊接质量的桥壳各项指标进行分析对比，从而为后续改进提高理论指导。5桥壳有限元分析5.1约束及载荷情况根据台架试验方法要求，我们在ANSYS_Workbench对桥壳边界条件及载荷简化处理如图5.1所示：图5.1有限元分析中的桥壳边界约束及载荷处理5.2计算工况简介针对桥壳与桥管不同焊接质量（强度）的两种桥壳有限元模型进行对比计算分析，载荷工况如表5.1表5.1模型及载荷工况有无焊接缺陷工况1（满载轴荷）工况2（2.5倍满载轴荷）无焊接缺陷17000N42500N有焊接缺陷17000N42500N6计算结果对比分析6.1垂直弯曲刚度结果对比两种焊接质量桥壳满载位移云图如图6.1，6.2所示：图6.1满载有焊接缺陷时位移云图图6.2满载无焊接缺陷时位移云图根据试验及有限元计算整理结果如表6.1所示：表6.1垂直弯曲刚度结果对比统计表有无焊接缺陷无焊接缺陷有焊接缺陷满载轴荷最大位移(mm)1.99762.1775轮距(mm)15451545有限元计算每米变形(mm)1.291.41实际试验每米变形(mm)1.361.49误差率(%)5.155.37是否合格（〈=1.5mm）合格合格试验和有限元计算分析结果都表明，最大位移都出现在后桥中部后盖上，然后依次向两端递减，直至固定约束端为0。满载时计算得出不同焊接质量（强度）桥壳的每米最大变形分别是1.29mm、1.41mm都小于1.5mm满足了垂直弯曲刚度试验要求，并且与试验误差值在5%左右，说明有限元模型的简化和加载方式合理，可信，为后续强度分析提供了保证。6.2两种焊接质量桥壳垂直弯曲静强度计算结果对比不同分析工况最大应力值（MPa）比较如表6.2所示表6.2最大应力对比统计表模型情况计算工况最大应力值最大应力值位置有缺陷焊接满载轴荷173.66桥管与桥壳焊接处2.5倍满载轴荷434.15桥管与桥壳焊接处无焊接缺陷满载轴荷137.45边界约束点附近2.5倍满载轴荷343.62边界约束点附近满载不同焊接质量桥壳应力云图如图6.3-6.6：图6.3有焊接缺陷时整体应力云图图6.4有焊接缺陷时局部断面应力云图图6.5无焊接缺陷时整体应力云图图6.6无焊接缺陷时局部断面应力云图2.5倍满载不同焊接质量桥壳应力云图如图6.7-6.10：图6.7有焊接缺陷时整体应力云图图6.8有焊接缺陷时局部断面应力云图图3.9无焊接缺陷时整体应力云图图3.10无焊接缺陷时局部断面应力云图我们从计算结果可以看出桥壳在各零部件焊接连接处、边界约束点以及荷载施加等处出现局部应力集中，在载荷施加以及边界约束附近由于计算方法导致的应力集中可以不予考虑。但在桥壳与半轴套管接合部位的焊缝处若存在焊接缺陷，则此处将出现较大的应力集中现象，特别是在2.5倍满载情况下，应力值已经超过材料的屈服极限355MPa，这应该是导致两根试验桥壳早期断裂的主要原因。通过最大应力数值表和应力云图，我们可以得出以下结论：1、当桥壳与桥管连接处存在焊接缺陷时，在此处存在较大的应力集中现象，而无焊接缺陷时此处应力值也较小，整桥的应力分布也较为均匀。2、当桥壳承受2.5倍满载轴荷时，桥壳不应出现塑性变形。即最大的应力值不能够超过材料的屈服极限355mpa。在不考虑由约束影响和荷载施加造成局部过大应力的情况下，有焊接缺陷时在桥管和桥壳连接处应力值已大大超过材料的屈服极限，极易产生塑性变形，导致早期疲劳破坏。综上所述，通过有限元计算分析结果发现，关键部位不同的焊接质量对整桥的疲劳寿命影响很大，不好的焊接质量很难保证产品的可靠性性能。7结论从有限元结果分析，所有桥壳的弯曲静刚度都满足要求，但有焊接缺陷时垂直弯曲静强度计算不合格，最大应力处发生在半轴套管与桥壳接合部的焊缝处，此处正是疲劳试验时的早期断裂处。通过有限元模拟分析后，找到了个别桥壳早期疲劳破坏的原因，后续通过加强焊接质量检查，对重新加工的同类型桥壳进行试验时都满足了标准要求。焊接金属结构失效的一种主要形式就是疲劳断裂，一般来说对应于该点的最大应力要低于材料的抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，而在实际工程中预料焊接材料的疲劳寿命是很复杂的，这是因为除了极少数的脆性材料以外，其他材料的疲劳寿命对结构的荷载，局部应力和材料的局部特性等参量的微小变化反应非常敏感，而我们考虑这些微小的变化在实际中是非常困难的，这就造成了疲劳分析中的不确定性。本文通过有限元分析的方法，找到了桥壳早期断裂的主要原因，为今后桥壳的设计和试验验证提供了一条方便快捷之路。[参考文献]《中华人民共和国汽车行业标准》QC/T533一1999汽车驱动桥台试验方法。