安俊霖 ，曾憲任 ,2，劉志強(qiáng)

（1.九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，江西 九江 332005；2.廣東安源鼎盛檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，有限元方法已成為計(jì)算力學(xué)和計(jì)算工程領(lǐng)域里最為有效的計(jì)算方法[1]。許多工程分析問題，如固體力學(xué)中的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析，電磁學(xué)中的電磁場(chǎng)分析、振動(dòng)特性分析[2]，熱學(xué)中的溫度場(chǎng)分析[3]，流體力學(xué)的流場(chǎng)分析[4]等。有限元技術(shù)的出現(xiàn)，為機(jī)械工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[5]、制造提供了強(qiáng)有力的工具，它可以解決許多以往手工計(jì)算根本無法解決的問題。

1 驅(qū)動(dòng)橋殼幾何模型的建立

本研究課題的研究對(duì)象為鋼板沖壓焊接整體式橋殼。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室橋殼進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪并建立三維模型。測(cè)量橋殼所使用的測(cè)量工具為游標(biāo)卡尺、直尺、三角板等。圖1為實(shí)驗(yàn)室橋殼實(shí)物，表1為福田雷沃汽車驅(qū)動(dòng)橋殼部分零部件和汽車其他部分的一些主要參數(shù)。

表1 汽車及驅(qū)動(dòng)橋殼的部分參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)室橋殼實(shí)物

本課題研究的中驅(qū)動(dòng)橋殼模型使用裝配設(shè)計(jì)，將鋼板彈簧座和驅(qū)動(dòng)橋殼本體通過焊接的連接方式安裝在一起。通過CATIA的零件設(shè)計(jì)工作臺(tái)，主要通過草繪、拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作，完成對(duì)橋殼的三維模型的建立，最后所得驅(qū)動(dòng)橋殼的三維模型如圖2所示。

圖2 橋殼的三維模型圖

2 橋殼的有限元分析

在分析最大垂向力工況、最大牽引力工況、最大制動(dòng)力工況、最大側(cè)向力工況這四種典型工況下的結(jié)果中，“應(yīng)力分布云圖和等效位移分布云圖”可以依據(jù)橋殼的不同部位的等效位移和等效應(yīng)力的大小，將橋殼的相異部位添上不一樣的顏色。因而橋殼的應(yīng)力分布狀況和變形情況就能夠通過顏色區(qū)域的分布狀況直接觀察出來。此外，云圖上標(biāo)出的最大應(yīng)力和最大等效位移的位置，為橋殼的強(qiáng)度和剛度提供了依據(jù)。

另外，不同橋殼焊縫處的強(qiáng)度除了會(huì)因材料的不同有差別之外，還會(huì)由于焊接方式的不同而有差異，因此通過觀察橋殼任意部位的應(yīng)力分布情況，不僅可以觀察橋殼應(yīng)力分布情況和變形情況，還可以分析焊縫處的強(qiáng)度情況。

2.1 最大垂向力工況

當(dāng)汽車在較陡的路面緩速行駛時(shí)，可以對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼施加2.5 倍的滿載載荷，通過CAITA 有限元分析計(jì)算，可得驅(qū)動(dòng)橋殼的應(yīng)力分布云圖和等效位移分布云圖，如圖3、圖4所示。

圖3 應(yīng)力分布云圖

圖4 等效位移分布云圖

2.2 最大牽引力工況

當(dāng)汽車在正常路面上以最大加速度行駛時(shí)，在板簧支座處加載垂直向下的載荷和水平向后的載荷，經(jīng)CATIA 有限元分析計(jì)算，可以得如下應(yīng)力分布云圖和等效位移分布云圖，如圖5、圖6所示。

圖5 應(yīng)力分布云圖

圖6 等效位移分布云圖

2.3 最大制動(dòng)力工況

汽車在水平路面上以最大制動(dòng)強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，在板簧支座處加載垂直向下的載荷和水平向前的載荷，在凸緣上施加制動(dòng)力矩，再用CATIA 計(jì)算，可以得到如下應(yīng)力分布云圖和等效位移分布云圖，如圖7、圖8所示。

圖7 應(yīng)力分布云圖

圖8 等效位移分布云圖

2.4 最大側(cè)向力工況

在課題中汽車的質(zhì)心略高，發(fā)生側(cè)滑以前就已經(jīng)側(cè)翻了，此時(shí)車輪一側(cè)垂直載荷為零，另一側(cè)車輪承受所有的垂直載荷。在板簧上施加對(duì)應(yīng)的水平向下的載荷，在右邊輪距處添加側(cè)向力，經(jīng)CATIA 分析計(jì)算，可得到如下應(yīng)力分布云圖和等效位移分布云圖，如圖9、圖10所示。

圖9 應(yīng)力分布云圖

圖10 等效位移分布云圖

模態(tài)分析是一種確定自然頻率、振型和振型參數(shù)的分析技術(shù)。通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以確定一個(gè)機(jī)器部件的固有頻率和振型。

對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼添加自由模態(tài)分析，在網(wǎng)格劃分后，在樹形結(jié)構(gòu)圖中點(diǎn)開FreeFrequency，然后在下拉列表中鼠標(biāo)左鍵雙擊FrequencyCaseSolution.1，彈出模態(tài)運(yùn)算參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，如圖11所示。

圖11 模態(tài)運(yùn)算參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

將模態(tài)設(shè)置為10 階，即計(jì)算前10 階的自由模態(tài)頻率，其他參數(shù)選擇默認(rèn)狀態(tài)，單擊確定即可。然后在右側(cè)的單擊Compute，彈出對(duì)話框，點(diǎn)擊確定，在Computation Resources Estimation中顯示需要的計(jì)算機(jī)資源，點(diǎn)擊Yes退出。計(jì)算對(duì)話框如圖12所示。

圖12 計(jì)算對(duì)話框

然后點(diǎn)擊樹狀圖中的Frequency Case Solution.1，在彈出的列表中點(diǎn)擊Generate Image，選擇Translational displacement magnitude，其他默認(rèn)，單擊確定退出。最后，在工具欄中選擇Animation，即可得到1～10 階的自由模態(tài)頻率。數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各階固有頻率

3 分析結(jié)果

分別對(duì)處于最大垂向力、最大牽引力、最大制動(dòng)力、最大側(cè)向力四種工況下的驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行了靜力計(jì)算，得到了各工況下橋殼各部位應(yīng)力分布和等效位移情況。經(jīng)過CATIA分析，可以看出橋殼的強(qiáng)度和剛度都符合使用要求。至于處于橋殼焊接的位置，取本體60%強(qiáng)度作為屈服強(qiáng)度，利用比較可以看出依舊滿足強(qiáng)度要求。在這四種工況下，橋殼承受最大垂向力的部位處出現(xiàn)了最大應(yīng)力，大約為343 MPa，遠(yuǎn)低于半軸套管的屈服強(qiáng)度。而且橋殼本體平均應(yīng)力較小，材料強(qiáng)度十分充足，存在浪費(fèi)的可能性，有必要進(jìn)一步改進(jìn)。

從上述表2的數(shù)據(jù)中，能夠簡(jiǎn)明地看出本文研究的驅(qū)動(dòng)橋殼前幾階模態(tài)固有頻率遠(yuǎn)大于路面作用與汽車振動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)范圍，由于固有頻率不處于這個(gè)范圍內(nèi)，因此不會(huì)發(fā)生橋殼共振的狀況，所以橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于合理范圍。

4 輕量化的方案

由上述分析可知，橋殼本體承受平均應(yīng)力較小，材料的強(qiáng)度十分富余，因此存在浪費(fèi)的可能，需要進(jìn)一步改進(jìn)，達(dá)到輕量化的目的。

一般情況下，可以使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)來達(dá)到輕量化的目的。本課題中采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，在綜合分析的基礎(chǔ)上，主觀選取設(shè)計(jì)變量的值，對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證該方案的可能性。

將主觀選取變量的值，讓橋殼自身的厚度由最初的15 mm 改變成為14.5 mm，然后對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證其強(qiáng)度和剛度是否符合要求。

5 改進(jìn)后橋殼的模態(tài)分析

對(duì)改進(jìn)后的橋殼施加模態(tài)分析，根據(jù)得到的橋殼各階固有頻率來確定橋殼在路面激勵(lì)下會(huì)不會(huì)發(fā)生共振。對(duì)橋殼進(jìn)行自由條件下的模態(tài)分析，經(jīng)有限元計(jì)算可以得到自由模態(tài)下橋殼7到12階固有頻率分別為96.7 Hz、112.6 Hz、198.5 Hz、236.1 Hz、300.0 Hz、371.2 Hz、401.3 Hz、493.2 Hz、512.3 Hz、636.1 Hz。

通過與改進(jìn)前的各階模態(tài)對(duì)比，可以看出該驅(qū)動(dòng)橋殼前幾階固有頻率發(fā)生了一定變化，但是幅度不大，仍然處于可以接受范圍內(nèi)，所以改進(jìn)后的橋殼是合理的。

6 結(jié)論

本文通過CATIA 建立了某重型汽車的驅(qū)動(dòng)橋殼模型，然后在CATIA 中進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度和剛度是否符合要求。在滿足要求的基礎(chǔ)上，對(duì)橋殼進(jìn)行輕量化改進(jìn)，并且在最大垂向力工況和最大牽引力工況下，驗(yàn)證了改進(jìn)后的橋殼依舊滿足強(qiáng)度要求，減輕了橋殼的重量，減少了材料的使用，完成了橋殼的輕量化。