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基于参数化的车辆驱动桥壳动态优化设计 |
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作者：羊玢 孙庆鸿 王睿 |
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摘要：介绍了应用UG/NX软件对汽车驱动桥壳进行参数化设计的方法，并对某轻型货车建立了其驱动桥壳的动力学模型。在考察其变形、强度和刚度的基础上，对影响桥壳强度和刚度的因素进行了设计研究，并进行了产品结构优化设计。和传统的设计方法相比，这种方法提高了精度和效率。
关键词：车辆 驱动桥壳 动态优化设计
1.前言
车辆驱动桥壳的功用是支承并保护主减速器、差速器和半轴等，使左右驱动车轮的轴向相对位置固定；同从动桥一起支承车架及其上的各总成重量；汽车行驶时，承受由车轮传来的路面反作用力和力矩，并经悬架传给车架。
驱动桥壳应有足够的强度和刚度，质量小，并便于主减速器的拆装和调整。由于桥壳的尺寸和质量比较大，制造较困难，故其结构型式在满足使用要求的前提下，要尽可能便于制造。
驱动桥壳可分为整体式桥壳和分段式桥壳两类。整体式桥壳具有较大的强度和刚度，且便于主减速器的装配、调整和维修，因此普遍应用于各类汽车上[1]。
目前，车辆驱动桥壳的设计大多还是图解法，这种设计计算量大且很复杂，精度不高。应用计算机的可视化技术和参数化造型和建模能力，在车辆的设计阶段进行三维实体建模，并利用有限元分析方法进行满载荷静力学分析，2.5倍满载轴荷下的垂直弯曲强度和刚度计算，并进行模态分析和参数化结构优化。从而提高车辆驱动桥壳结构的设计水平，减少实际试验研究费用和时间，提高设计效率。
2.UG软件简介及其结构分析方法
Unigraphics(UG) CAD/CAM/CAE系统提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。而且，在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性[2]。
通过在实践中运用UG软件，作者总结了一套结构分析方法和分析步骤：
(1)参数化建模：包括建立构件的实体模型，建立设计变量，并施加约束和载荷等；
(2)满载荷静力学分析：确定8mm桥壳每米轮距变形量和最大许可应力值；
(3)结构模态分析：确定不同设计变量下的结构固有频率及振型，并与试验值比较；
(4)参数化优化设计：在指定优化目标、定义约束和定义变量之后，计算出最优结果。
3.有限元分析模型的建立
对产品进行参数化建模，可以用参数建立起零件内各特征之间的相互关系。同时，通过设计时设定的关联参数，实现相关部件的关联改变，可以有效地减少设计改变的时间及成本，并维护设计的完整性。设计软件采用UG/NX，基于自顶向下(Top-Down)原则对产品进行设计，根据关键参数和UG/WAVE技术建立起零部件之间的几何和位置的相关性。
建立好的参数化模型如下：
图1 参数化模型
由于部件三维模型中的细节将影响整个结构的网格分布，增加网格的数量，使模型过于复杂。因此，对三维模型去掉那些对分析影响不大的特征(如倒角、圆角等)和一些小孔。
采用UG/Scenario for structure进行网格划分，划分网格时选用四面体10节点单元(四面体10节点单元具有较高的刚度及计算精度)，全局单元尺寸大小为18.3，进行网格自动划分，建立起桥壳有限元网格模型，共有63218个节点，32293个单元。
图2 有限元模型
4.桥壳结构有限元分析
4.1 有限元分析方案
后桥是汽车中的重要部件，它承受着来自路面和悬架之间的一切力和力矩，是汽车中工作条件最恶劣的总成之一，如果设计不当会造成严重的后果。为保证后桥设计的可行性和工作的可靠性，在设计过程中必须对其应力分布、变形等进行计算和校核。
进行分析、评估和校核的项目如下：
(1)后桥壳垂直弯曲强度和刚度计算
(2)后桥总成模态分析，计算后桥壳总成的固有频率及振型
桥壳的相关数据：驱动桥满载后轴重为5.5T，簧距880mm，轮距1586mm，板簧座上表面面积7079mm2，面载荷为
材料09SiVL-8的弹性模量为 5Mpa，泊松比为0.3，材料密度为7850kg/m ，根据国内外经验，垂向载荷均取为桥壳满载负荷的2.5倍即为9.5MPa。材料许可应力[σ]s=510~610 MPa。
试验数据： 满载荷最大位移1.5mm。
4.2 结构静力学分析
计算桥壳的垂直弯曲刚度和强度的方法是将后桥两端固定，在弹簧座处施加载荷，将桥壳两端6个自由度全部约束，在弹簧座处施加规定的载荷。当承受满载轴荷时，根据国家标准，桥壳最大变形量不超过1.5mm/m，承受2.5倍满载轴荷时，桥壳不能出现断裂和塑性变形。
根据建立的有限元分析模型，通过PE solve解算器，计算了部件在2.5倍满载荷条件下的位移和应力。
图3 2.5倍满载荷条件下的位移
图4 2.5倍满载荷条件下的应力
其结果如下：最大位移为1.561mm，最大应力出现在半轴套管约束处，为659.9Mpa，每米轮距的变形量为1.561mm/1.586m=0.98mm/m，小于规定的1.5mm/m，符合国家相关规定。
从图4可以看出，在桥壳方形截面与牙包过渡的地方，其应力为280MPa左右，远小于其许用应力[σ]s。
综上分析，8mm厚度的桥壳本体是完全符合桥壳结构强度要求的。
4.3 结构模态分析
改变桥壳本体厚度做模态分析，结果如表1所示。表1 不同厚度、模态桥壳的频率
 从上表可以看出，在厚度降低时，桥壳的固有频率是在不断地增加的，说明降低桥壳的厚度可以提高其低阶固有频率，从而提高桥壳刚度。
与试验结果(一阶频率149Hz)比较，其一阶频率接近试验结果，桥壳本体厚度为8mm的驱动桥壳的一阶频率与试验绝对误差为：
(149-132.2)/149×100%=11.2%
小于经验值20%，说明模型的可靠性是有保证的。
5.桥壳优化设计
以重量最小化为定义目标，定义约束为许可应力。把桥壳的厚度定为设计变量，其最大值定为8mm，最小值定为6mm。表2为经过20次迭代后的结果[4，5]。
图5 迭代质量变化曲线
图6 迭代桥壳厚度变化曲线
由表2和图6可以看出经过3次迭代，得到一个最优点，在7mm时桥壳的质量时50.72kg，质量比原来减轻了4.2kg。在同时满足强度和刚度要求的情况下，从而实现了轻量化驱动桥壳的生产。表2优化分析结果
 6.结论
利用UG软件建立了驱动桥壳的3D参数化模型，并利用有限元分析方法进行了2.5倍满载轴荷下的垂直弯曲强度和刚度计算；并进行了模态分析和参数化结构优化。计算结果表明，该型驱动桥壳具有足够的强度和刚度，这为该型驱动桥壳的轻量化设计提供了部分依据，有很大的实践指导意义。
经过优化分析，使桥壳本体的厚度由8mm降至7mm，质量减少了4.2kg。
经查阅相关资料，改变牙包与方形截面过渡处的半径也是一种有效的优化方案。
实践表明，使用CAD/CAE方法设计驱动桥壳，具有耗时少，效率高，耗资少，变型方便，计算结果全面详尽，劳动强度低等传统设计方法不具备的优点。可以预见，如果CAD/CAE方法在我国的汽车工业企业中得到推广，则必将对我国的汽车工业产生划时代的影响。
[参考文献]
[1] 陈家瑞. 汽车构造(第三版). 北京：人民交通出版社，1998
[2] 张冶， 洪雪， 张泽帮. Unigraphics NX参数化设计实例教程. 北京： 清华大学出版社， 2003
[3] 丁皓江. 弹性和塑性力学中的有限单元法.北京：机械工业出版社.1994
[4] 江爱川.结构优化设计.北京： 清华大学出版社，1986
[5] 宋晓华， 周明安， 巫少龙. 基于UG参数化的产品优化设计. CAD/CAM与制造业信息化， 2004 (5)
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(3/15/2007) |
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