1、·基于 Workbench 驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)·文章編號(hào)：1002-4581（2013）03-0031-05基于Workbench 驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)鄧震 1，1，黃新林 2Deng Zhen1, Jiang Wuhua1, Huang Xinlin2（1. 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車，技術(shù)中心，合肥 230009；合肥 230051）2.福田曙光車橋摘 要：文中以某重型牽引車后驅(qū)動(dòng)橋殼為研究對(duì)象，建立以橋殼各個(gè)工況為基礎(chǔ)的力學(xué)模型，運(yùn)用AnsysWorkbench 有限元分析討論其應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況；根據(jù)所得結(jié)果，以多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的方式在Workben

2、ch中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而選擇最優(yōu)的解決方案，提高驅(qū)動(dòng)橋殼的開發(fā)周期。：驅(qū)動(dòng)橋殼；Workbench；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)號(hào)：U463.218+.5.02文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A0引言驅(qū)動(dòng)橋殼是汽車上的主要承載件和傳力件， 汽車正常行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋殼將承受車輪傳來的路面反作用力和力矩，并經(jīng)懸架傳給車架。文中將驅(qū)動(dòng)橋殼的 4 種典型工況進(jìn)行應(yīng)力和變形分析。將橋殼復(fù)雜的受力狀況簡化成 2.5 倍沖擊載荷、最大牽引力、最大制動(dòng)力和最大側(cè)向力 4 種工況進(jìn)行計(jì)算校核，校核的參數(shù)為車橋設(shè)計(jì)者的圖 1 AK 某重型牽引車后驅(qū)動(dòng)橋殼三維模型該牽引車后橋采過程中，不同的橋形式，在實(shí)際的狀態(tài)，橋殼的受力情況相差初步設(shè)計(jì)和計(jì)算

3、提供了方便。主要以某重型很大。主要對(duì)橋殼的 4 種工況進(jìn)行分析，分別是2.5 倍沖擊載荷工況、最大牽引力工況、最大制動(dòng)力工況和最大側(cè)向力工況。車驅(qū)動(dòng)橋殼為研究對(duì)象，利用 UG 建模功能， 然后導(dǎo)入 AnsysWorkbench 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定加載和約束等邊界條件，利用 Ansys 求解器進(jìn)行有限元分析計(jì)算，驗(yàn)證其有效性和實(shí)用性；最后根據(jù)有限元分析結(jié)果采用多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的方式，在Workbench 中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從中選擇最優(yōu)的解決方案，提高驅(qū)動(dòng)橋殼的開發(fā)周期。1.1沖擊載荷行駛工況汽車在不平路面上高速行駛時(shí)，后橋殼除承受靜止?fàn)顟B(tài)下那部分載荷外，還承受附加的沖擊載荷。圖 2 是橋殼在沖擊載荷時(shí)

4、受力分析簡圖，此時(shí)，后橋殼垂向載荷通常取為滿載靜止時(shí)所承受載荷的 2.5 倍，即1驅(qū)動(dòng)橋殼受力分析F = F = G2 ´ kZiZo4圖 1 為某重型牽引車后驅(qū)動(dòng)橋殼的三維模型，由中段和左、右半軸組成，其特點(diǎn)是左右屬于不對(duì)稱狀態(tài)。式中，G2 為汽車滿載靜止于水平路面時(shí)后驅(qū)動(dòng)橋的最大載荷；K 為動(dòng)載荷系數(shù)，對(duì)載貨汽車· 31 ·汽車2013.No.3北京汽車·基于 Workbench 驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)·取 2.5。F = G2 m¢fx4FF式中，f為輪胎與地面的縱向附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取f=0.8。同時(shí)，由水平方向的縱向力

5、Fx 而產(chǎn)生一個(gè)繞橋殼中心線的力矩 T，其大小為T = FxrrFyiFyoBbbFziFzo圖 2 沖擊載荷時(shí)受力分析簡圖FFn1.2最大牽引力行駛工況汽車以最大牽引力行駛時(shí)，后驅(qū)動(dòng)橋殼的受力分析如圖 3。rrFxFxFxFziFzoFBzo圖 4 緊急制動(dòng)時(shí)受力分析簡圖FFn1.4側(cè)向載荷行駛工況（按側(cè)向力最大計(jì)算） 當(dāng)汽車所承受的側(cè)向力達(dá)到地面給輪胎的側(cè)作用力的最大值（即附著力）時(shí)，汽車處于側(cè)滑的臨界狀態(tài)，側(cè)向力一旦超過側(cè)向附著力， 汽車則側(cè)滑。汽車向右側(cè)滑時(shí)的受力分析如圖 5。圖中，F(xiàn)yi、Fyo 分別表示地面對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)車輪的側(cè)作用力；FZi、FZo 分別表示側(cè)滑時(shí)內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)

6、車輪的支撐反力。rrFxFxFxFziFzoFBzo圖 3最大牽引力時(shí)受力分析簡圖此時(shí)，后橋內(nèi)、外車輪所承受的垂向負(fù)荷分別為= G2 m2F = FZiZo4式中，m2 為行駛時(shí)的橋負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，對(duì)于qyoqyiFF牽引車取 1；地面對(duì)外驅(qū)動(dòng)車輪的最大切力 Fx 為作用= TE i1i0hFyoFyiFxB4rFFzirzo式中，TE 為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N×m；i1 為變速器圖 5 側(cè)滑時(shí)受力示意圖擋速比；i0 為主器速比；rr 為輪胎滾動(dòng)半徑；當(dāng)汽車處于側(cè)滑狀態(tài)時(shí)，汽車向右側(cè)滑時(shí)的受力分析如圖 6。此時(shí)，地面給后橋內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)車輪所承受的垂向力 FZi、FZo 分別為h為傳動(dòng)系效率（

7、由發(fā)動(dòng)機(jī)至輪邊）。由最大切作用力 Fx 產(chǎn)生一個(gè)繞輪胎中心線方向的轉(zhuǎn)矩 T 為T = F rx r= 1 G取 FZi=0，則 FZo221.3 緊急制動(dòng)行駛工況汽車緊急制動(dòng)時(shí)，可不考慮側(cè)向力。圖 4 為緊急制動(dòng)時(shí)后驅(qū)動(dòng)橋殼的受力分析簡圖。圖中后橋內(nèi)、外車輪所承受的垂向負(fù)荷 FZi、FZo 分別為式中，G2 為汽車滿載靜止于水平路面時(shí)后驅(qū)動(dòng)橋的載荷。上述地面給內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)車輪的側(cè)向反作用力 Fyi、Fyo 分別為= G2 m¢= FZif1 = 0 NFyo = FZof1式中，f1 為地面的側(cè)向附著系數(shù)，取 0.6；作FyiF = FZiZo4式中，m¢為汽車緊急制動(dòng)時(shí)的質(zhì)

8、量轉(zhuǎn)移系數(shù)， 取 1.2。另外，水平方向的縱向力 Fx 為· 32 ·汽車2013.No.3北京汽車·基于 Workbench 驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)·用在右側(cè)車輪上的側(cè)向力會(huì)使橋殼產(chǎn)生一個(gè)繞前進(jìn)方向的轉(zhuǎn)矩 T，其大小為T = Fyo rr 2橋殼強(qiáng)度分析2.1約束及加載文中橋殼所用的材料 Q345 低合金鋼抗拉強(qiáng)度為 490 MPa，屈服強(qiáng)度為 345 MPa。根據(jù)汽車行駛時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行約束，采用在板簧處約束，約束b. 應(yīng)變云圖圖 7 最大牽引力工況下等效應(yīng)力和位移云圖左邊板簧處 234度，約束右邊板簧 1234度；同時(shí)在輪距處加載（垂向力、縱向力

9、及力矩），能更好地模擬實(shí)際的狀態(tài)。2.2等效應(yīng)力及應(yīng)變云圖各個(gè)工況下的等效應(yīng)力和應(yīng)變云圖如圖圖 9 所示。6a. 等效應(yīng)力云圖b. 應(yīng)變云圖a. 等效應(yīng)力云圖圖 8 緊急制動(dòng)工況下等效應(yīng)力和位移云圖b. 應(yīng)變云圖a. 等效應(yīng)力云圖圖 6 沖擊載荷工況下等效應(yīng)力和位移云圖b. 應(yīng)變云圖a. 等效應(yīng)力云圖圖 9 最大側(cè)向力工況下等效應(yīng)力和位移云圖· 33 ·汽車2013.No.3北京汽車·基于 Workbench 驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)·2.3結(jié)果分析橋殼各個(gè)工況下的等效應(yīng)力和應(yīng)變的分析結(jié)果見表 1。design of experiments 中點(diǎn)擊選

10、擇 P1 和 P2，然后在 properties of outline 中設(shè)置上下限邊界，橋殼厚度約束范圍為 12P116，中間圓直徑約束范圍為 200P2218，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成 17 個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)， 如圖 11 所示，并計(jì)算每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力、應(yīng)變和質(zhì)量的數(shù)值。表 1各工況下等效應(yīng)力和應(yīng)變工況類型最大等效應(yīng)力/MPa最大應(yīng)變/mm沖擊載荷97.13152.70249.39168.661.542.013.050.49最大牽引力緊急制動(dòng)最大側(cè)向力由表 1 可知，橋殼在緊急制動(dòng)工況下等效應(yīng)力最大，達(dá)到 249 MPa，發(fā)生在橋殼的板簧內(nèi)側(cè)，同時(shí)應(yīng)變也最大，達(dá)到 3.05 mm，此時(shí)橋殼的安全系數(shù)

11、 S=345/249=1.39，為了提高橋殼的安全性，對(duì)橋殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是必要的。文中將采用Workbench 中的多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖 11 系統(tǒng)自動(dòng)生成 17 個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)3.3優(yōu)化結(jié)果中參數(shù)響應(yīng)圖在優(yōu)化結(jié)果中，首先是幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)圖，如圖 12 中 a、b、c 所示。3多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于 CAE 技術(shù)，將力學(xué)理論、化算法、計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，為工設(shè)計(jì)提供了一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的手段，以便從眾多的可行性設(shè)計(jì)方案中找出盡可能完善或者最設(shè)計(jì)方案。3.1設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)的選擇由橋殼自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其等效應(yīng)力應(yīng)變云圖，設(shè)計(jì)變量選取橋殼的厚

12、度 rear_axle_thickness 和橋殼中間圓的直徑 centre_circle_R。分析表 1 中的結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)選取為緊急制動(dòng)工況時(shí)的最大等效應(yīng)力、最大應(yīng)變及其自身的質(zhì)量，如圖 10 所示。a. 橋殼質(zhì)量、中間圓直徑對(duì)橋殼質(zhì)量的影響圖 10 設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)的選取3.2約束條件及 DOE 試驗(yàn)在 Workbench 優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊中，outlineb. 橋殼質(zhì)量、中間圓直徑對(duì)最大等效應(yīng)力的影響of· 34 ·汽車2013.No.3北京汽車·基于 Workbench 驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)·參數(shù)的數(shù)值對(duì)比如表 2 所示。圖 14

13、優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)設(shè)置c. 橋殼質(zhì)量、中間圓直徑對(duì)應(yīng)變的影響圖 12 幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)圖由上述響應(yīng)圖可知，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)橋殼厚度值、中間圓直徑值和一個(gè)相關(guān)的響應(yīng)參數(shù)值（緊急制動(dòng)工況下最大等效應(yīng)力值、應(yīng)變值或者橋殼質(zhì)量），從響應(yīng)圖的靈敏度來看，橋殼厚度對(duì)等效應(yīng)力、應(yīng)變、質(zhì)量的影響大于中間圓直徑對(duì)其影響，從圖13 局部靈敏度直方圖也很容易看出。通過設(shè)置目標(biāo)函數(shù)的相關(guān)要求可以得到一組最優(yōu)方案。圖 15 基于目標(biāo)函數(shù)設(shè)置的 3 組候選優(yōu)化設(shè)計(jì)后的參數(shù)表 2 優(yōu)化前后參數(shù)變化對(duì)比 變量及目標(biāo)優(yōu)化前優(yōu)化后橋殼厚度/mm 中間圓直徑/mm 橋殼質(zhì)量/kg等效應(yīng)力/MPa應(yīng)變/mm14208122.

14、97249.393.0513.45206.09120.08247.673.09對(duì)比上述參數(shù)可知，優(yōu)化后橋殼質(zhì)量為 0.120 08t、最大等效應(yīng)力為 247.67 MPa、應(yīng)變?yōu)?3.091 6 mm。橋殼質(zhì)量減少了 2.89 kg，緊急制動(dòng)工況下最大等效應(yīng)力相對(duì)而言也有微弱減小，應(yīng)變幾乎沒有變化。可見，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義，實(shí)現(xiàn)橋殼輕量化設(shè)計(jì)，提高橋殼開發(fā)周期。圖 13 橋殼厚度、中間圓直徑與等效應(yīng)力、應(yīng)變、質(zhì)量之間的局部靈敏度直方圖參考文獻(xiàn). 汽車車橋設(shè)計(jì)M.1338-353.2：，2004：3.4優(yōu)化設(shè)計(jì)中目標(biāo)設(shè)置及結(jié)果進(jìn)入 Workbench 中的 Optimization，進(jìn)行目

15、標(biāo)函數(shù)的設(shè)置，在橋殼優(yōu)化設(shè)計(jì)中，盡量要求質(zhì)量輕， 即質(zhì)量要小于優(yōu)化前的數(shù)值，同時(shí)要求其等效應(yīng)力. 汽車設(shè)計(jì)（第 4 版）M.：機(jī)械工業(yè)，2010：169-170.3 浦廣益. ANSYS Workbench12 基礎(chǔ)與實(shí)例詳解M. 北京：水利水電，2010：243-269. 基于 ANSYS 汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析J.和應(yīng)變不要超過其應(yīng)力、應(yīng)變。4，設(shè)置完成后，更新優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，將最終得到基于目標(biāo)函數(shù)設(shè)置的 3 組候選設(shè)計(jì)列表，如圖14、圖 15 所示。機(jī)械研究與應(yīng)用，2005，（6）：90-91.5 JAMES M. PILCH(美). 使用有限元分析以J. 國外鐵道車輛，2007，（4）：30-34.重載車軸6其優(yōu)化設(shè)計(jì)J. 7. 基于 ANSYS Workbench 的半掛車車軸的強(qiáng)度分析及汽車，2011，（4）：42-46.由優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果可知，基于車橋的裝配，盡量少地改變中間圓