2009年(第31卷)第2期
汽 车 工 程
AutomotiveEngineering
2009(Vol.31)No.2
2009023
基于整车动力学仿真的后桥壳疲劳寿命分析与改进
唐应时,张 武,段心林,李克安,和进军
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(1.湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082; 2.湖南理工学院机电系,岳阳 414000)
[摘要] 针对某越野车在改型过程中后桥壳在台架疲劳试验时出现局部开裂的情况,应用ADAMS/Car建立了整车动力学模型,进行动力学仿真,得出危险工况冲击载荷下桥壳的受力情况。采用ANSYSWorkbench对桥壳进行了疲劳寿命计算,结果与试验吻合。分析其存在的不足,并提出了改进方案。对改进后的桥壳再次进行疲劳计算,满足设计要求,试制后进行台架试验,寿命达到国家标准要求。
关键词:动力学仿真;后桥壳;疲劳寿命分析;改进
AnalysisandImprovementofRearAxleHousingFatigueLife
BasedonVehicleDynamicsSimulation
TangYingshi,ZhangWu,DuanXinlin,LiKean＆HeJinjun
1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha 410082;2.DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering,HunanInstituteofScienceandTechnology,Yueyang 414000
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[Abstract] InviewofcrackoccurrenceofrearaxlehousinginfatiguetestduringthecourseofaSUVmodi-fication,acompletevehicledynamicsmodelisbuiltusingADAMS/Carandadynamicssimulationisconductedwiththeforcesexertedonaxlehousingincriticalimpactloadingconditionsobtained.ThefatiguelifeofaxlehousingiscalculatedbyusingANSYSWorkbench,whichwellagreeswithtestresults.Thecausesofdefectsareanalyzedandsomeimprovementschemesareproposed.Thefatiguelifeofmodifiedhousingischeckagain,whichmeetsdesign
requirements.Benchtestsarealsocarriedoutontrialproducedhousingwithitsfatiguelifemeetingnationalstand-ard.
Keywords:dynamicssimulation;rearaxlehousing;fatiguelifeanalysis;improvement
试验时出现局部开裂的情况,建立该车的整车动力
前言
驱动桥桥壳是汽车的重要零件之一,它是主减速器、差速器、半轴的外壳,一方面它起着支撑汽车荷重的作用,另一方面将载荷传给车轮,以及将路面反作用力传递给车身,它既是承载件又是传力件。桥壳不仅承受静载荷,更多时候是在交变载荷下工作,疲劳破坏成为其失效最主要的原因
[2]
[1]
学模型,根据相关标准及理论,确定后桥壳的危险工况,利用ADAMS/Car进行整车动力学仿真,得到该工况下后桥壳的受力情况。根据受力在有限元软件ANSYSWorkbench中对其进行了疲劳寿命分析,找出其薄弱位置并提出改进建议。将改进后的结构重新分析并进行台架试验,满足寿命要求,未再出现开裂情况。
。因此,桥
壳在设计时不仅要保证其强度与刚度,而且疲劳寿命必须加以考虑并满足设计要求。
针对某越野车在改型过程中后桥壳在台架疲劳
1 整车仿真模型的建立与验证
1.1 获取参数
＊“985工程”汽车先进设计制造技术科技创新平台项目、国家863计划项目(2002AA503010)资助。原稿收到日期为2008年4月14日,修改稿收到日期为2008年7月21日。2009(Vol.31)No.2唐应时,等:基于整车动力学仿真的后桥壳疲劳寿命分析与改进· 115·
[5]
建立模型中所需的几何参数和构件质量由该车的合作设计公司提供;构件的转动惯量在三维软件UG中测得;构件及总成性能参数根据相关配套厂家进行的试验确定(如橡胶衬套、扭杆弹簧、螺旋弹簧、减振器的特性参数);轮胎数据由某大学的轮胎动态特性试验台测出。整车试验数据在整车试验场实车试验获得。
1.2 建立整车模型
根据ADAMS/Car的建模方法,将整车模型简化为车身子系统、前后悬架子系统、前后轮胎子系统、前后横向稳定杆子系统、转向子系统、动力传动子
[3]
系统、制动子系统。
在模板的基础上形成子系统,将各个子系统组装,并与试验台连接,反复调试运行通过后,形成整车仿真模型
[4]
杂的受力状况简化成4种典型的计算工况:(1)冲击载荷工况,车速76km/h,障碍物高100mm(根据文献[7],不同路面冲击载荷作用下对越野车桥壳的强度要求,动载荷系数须达到3.0,故参数由仿真试验结果得出);(2)最大加速度工况,加速度4.4m/s;(3)制动工况,车速80km/h下制动,减速度6.69m/s;(4)最大侧向加速度工况,侧向加速度5.5m/s。
分别对上述4种工况进行整车动力学仿真,得出4种工况下后桥各连接点的受力值。从中取出每种工况下受力值最大的部位进行比较,由分析得知第1种工况下桥壳受力最为恶劣,此时受力最大值出现在左螺旋弹簧与桥壳连接处,垂直方向受力F21468N,方向向下。故取工况1下的受力情况z=
进行疲劳寿命计算。2.3 疲劳寿命计算
将后桥壳三维模型导入ANSYS中,根据其结构情况进行网格划分,采用三维四节点弹性壳单元shell63单元进行分网,同时对局部焊接部位进行细化处理,即直接对焊料建模,反映局部细节的模型。划分出单元数为14551个,节点数为14786个,如图3所示。根据桥壳的材料,取弹性模量为2.1×1110Pa,泊松比为0.3。
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图1 整车仿真模型
,见图1。
1.3 整车仿真模型的验证
根据国家标准对汽车操纵稳定性及汽车平顺性试验的规定,利用仿真模型对其中试验进行仿真,将输出结果与实车试验数据对比,验证整车模型的准确程度。经过反复调试完善模型后,仿真结果与试验数据最大误差为13%,误差在可接受范围内。由此得到了准确的整车动力学仿真模型,为下一步的计算分析提供依据。
2 疲劳寿命计算
2.1 ANSYSWorkbench寿命分析基本流程
ANSYSWorkbench寿命分析基本流程见图2。
图3 网格划分
将划分好网格的后桥壳导入ANSYSWorkbench中,按照桥壳实际工作状况进行约束设置,如图4所示。将仿真分析工况1的载荷数据加载到有限元模
型上。
图2 疲劳寿命分析流程
2.2 危险工况受力分析
在汽车桥壳的受力分析与强度计算时,将其复
图4 约束和加载
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后桥壳材料属性按某钢铁厂对桥壳本体材料性能试验来设置,并由疲劳试验结果拟合出S-N特性曲线(图5)。疲劳计算时的载荷按照对称循环应力加载。
处,如图8所示。计算结果与试验结果吻合得很好。
图8 后桥壳局部开裂位置
根据计算结果,从应力应变角度考虑,桥壳本体的高应力响应点在管段与中间过渡圆弧处,最大应力为124MPa,远小于桥壳本体材料许用应力[σ]s=355MPa,强度上满足要求
图5 后桥壳材料的S-N曲线
[6]
。但桥两端刚性强,致
使壳体中间弧面部分受力过程中变形比较大,刚度很差。由于该段基本上是弯曲工作状态,且水平焊
缝和端面圆周焊缝相交,焊缝处存在较大的连接力,必然在桥壳焊缝附近某一部位产生高应力响应,在交变应力的作用下,产生疲劳破坏
[7]
各项设置完成后进行疲劳寿命分析,得到的桥壳疲劳寿命与疲劳安全因子如图6、图7所示。
。
从寿命角度考虑,桥壳大部分位置都能达到
100万次的寿命,但是中段寿命比较小,只有44.6万次左右,不满足桥壳设计80万次寿命的要求。这也解释了桥壳在试验过程中局部开裂的原因。
3 改进设计
3.1 改进方案
前期在台架试验出现断裂的时候,后桥壳的生产厂家在断裂处增加了加强板,但在台架疲劳试验时依旧没有达到要求的寿命。由于增加加强板的方法简单有效,因此在后期的改进设计中保留此项。为了使改进效果更加明显,达到桥壳许可寿命的要求,采用加大主减速器处桥壳厚度和在中段过渡圆弧处增加加强板相结合的方案,对后桥壳做改进设计。将主减速器处桥壳钢板厚度由原来的4.5mm分别改为5、6、7mm,分别计算后桥壳的疲劳循环寿命。每种改
图9 改进设计方案示意图
图6 驱动桥壳疲劳寿命图
图7 驱动桥壳疲劳安全因子图
图7显示,最容易产生疲劳破坏的位置在桥壳两边管段与中间过渡圆弧处,此处的疲劳安全因子最低只有2.46,低于一般经验安全系数3。而桥壳
在台架试验局部开裂的位置即是在中间过渡圆弧
进措施都在如图9所示位置增加一个加强板。3.2 改进后疲劳分析计算结果
将改进后的模型在ANSYS中划分网格后,导入
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到ANSYSWorkbench中进行疲劳分析。将改进后的最小疲劳寿命和材料的质量列表,如表1所示。
表1 改进方案效果
方案123
桥壳中段材料厚度/mm
567
材料质量/kg
6.8.279.65
桥壳最小疲劳
近似寿命/万次
94.2138168
至桥壳断裂,记录损坏时的循环次数和损坏情况。
疲劳试验数据如表2所示。
表2 疲劳试验情况
样品编号
123
试验负荷/kN
424242
疲劳寿命/万次
70.688.881.6
损坏情况损坏损坏损坏
注:材料质量为桥壳中段过渡圆滑部分材料质量。
桥壳中值寿命为80.3万次。试验结果表明,改进后的桥壳疲劳寿命满足国标要求。仿真值与试验值基本上吻合,平均误差为17.3%。考虑到整车动力学模型存在一定误差,且计算时没有模拟焊缝的
影响,相应地造成一定的偏差。
由表1可知,改进后桥壳最小疲劳近似寿命提高了很多,根据该后桥壳的台架试验标准判定值,桥壳中值寿命不低于80万次,3种改进都是可行的,又根据制造成本及轻量化设计的要求,取第1方案为最终改进方案。
图10、图11为桥壳中段材料厚度改为5mm的改进效果示意图。
4 结论
(1)对整车模型进行动力学仿真,得到后桥壳在危险工况下的受力,对其进行了疲劳寿命分析,分析结果显示的疲劳破坏危险区域与桥壳在台架试验时发生开裂的位置一致。
(2)对桥壳进行了改进,最小疲劳寿命从改进前的40万次提高到80万次。改进后的结构重新进行疲劳寿命台架试验,达到了国家标准。
(3)利用CAE软件进行分析计算,找出了该后桥壳存在缺陷的原因,并提出了改进的措施,改变了以往反复利用台架试验来验证改进结果耗费大量人力物力的缺点,具有实际意义。
参考文献
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计算实例[J].大连铁道学院学报,2000,21(3):21-25.[3] 张越今.汽车多体系统建模与数值计算仿真分析[M].长春:吉
林科学技术出版社,1998.
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图10 改进后后桥壳疲劳寿命图
图11 改进后后桥壳疲劳安全因子图出版社,2005.
[5] 刘惟信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社,2006:394-402.
[6] 唐应时,段心林,李克安,等.基于整车虚拟仿真的某越野车后
桥壳计算分析[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2006,21(3):39-42.
[7] 渚志刚,等.汽车驱动桥壳结构破坏机理分析研究[J].汽车研
究与开发,2001(6):30-32.
3.3 改进后台架试验
将改进的桥壳试制后进行垂直弯曲疲劳台架试验,分别编号为1～3的3件试验样品,样品中段材料厚度均为5mm。根据该桥壳的企业标准,台架试
验的负荷为42kN,试验频率为3Hz。加载荷时用应变仪、光线示波器控制最大载荷和最小载荷并监测
