在橋殼失效原因分析中的應(yīng)用ANSYS

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1、遼寧曙光汽車集團(tuán)股份有限公司開發(fā)的65型驅(qū)動(dòng)橋橋殼在順利完成臺(tái)架強(qiáng)度、剛度試驗(yàn)后,在進(jìn)行疲勞耐久性試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)別橋殼在橋管與半軸套管焊接處出現(xiàn)局部早期開裂現(xiàn)象,導(dǎo)致疲勞壽命無法滿足要求,而且存在同一批次的兒根試驗(yàn)橋壽命差距很大的問題。為此,該公司利用ANSYS-WORKBENCH軟件進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)分析,并結(jié)合其他檢測手段,找出了原因。遼寧曙光汽車集團(tuán)股份有限公司研制生產(chǎn)的65型驅(qū)動(dòng)橋，是為國內(nèi)主機(jī)廠配套的主要車橋產(chǎn)品，在研制之初臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)同一批次的產(chǎn)品疲勞壽命相差很大,有近一半樣件不能滿足疲勞壽命要求，出現(xiàn)早

2、期斷裂現(xiàn)象。為找到失效原因，在對失效樣橋斷口進(jìn)行分析后，初步判斷可能是由于焊接質(zhì)量不高，導(dǎo)致局部缺陷而影響了整橋壽命。為驗(yàn)證這一初步分析結(jié)論，并為后續(xù)裝車實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品定型和批量生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供理論指導(dǎo)，我們利用ANSYS-WORKBENCH軟件中的接觸功能對該橋的不同焊接質(zhì)量進(jìn)行了有限元模擬分析。國內(nèi)外汽車驅(qū)動(dòng)橋橋殼分析的研究和發(fā)展概況汽車的驅(qū)動(dòng)橋位于傳動(dòng)系的末端，其基本功能是增大由傳動(dòng)軸或直接由變速器傳來的轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)矩分配給左、右驅(qū)動(dòng)車輪，并使左、右驅(qū)動(dòng)車輪具有汽車行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)所要求的差速功能；同吋，驅(qū)動(dòng)橋還要承受

3、作用于路面和車架或車廂之間的鉛垂力、縱向力和橫向力。在一般的汽車結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)橋包括橋殼、差速器、驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置及主減速器等部件。驅(qū)動(dòng)橋橋殼是汽車上的重要零部件之一，而非斷開式驅(qū)動(dòng)橋的橋殼又同時(shí)起著支承汽車荷重的作用，并將載荷傳給車輪。在汽車行使過程中，橋殼承受著復(fù)雜的載荷作用，作用驅(qū)動(dòng)車輪上的牽引力、制動(dòng)力、側(cè)向力和垂向力也是經(jīng)過橋殼傳到懸掛及車架或車廂上。因此橋殼既是承載件又是主要的傳力件，同吋它又是主減速器、差速器及驅(qū)動(dòng)車輪傳動(dòng)裝置（如半軸）的外殼，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮在動(dòng)載荷下橋殼有足夠的強(qiáng)度和剛度。對于驅(qū)動(dòng)

4、橋橋殼這樣幾何形狀與組成、加工工藝與工序等都比較復(fù)雜的機(jī)械零部件，由于受載后的應(yīng)力分布，疲勞性能一般不太容易通過標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗(yàn)得到，理論計(jì)算也難以把各種工藝條件等都反映在其分析模型中。因此，在它們的制造過程中，為了保證一些關(guān)鍵工藝的質(zhì)量（如沖壓質(zhì)量、焊接質(zhì)量等），往往規(guī)定要定期從生產(chǎn)線中隨機(jī)抽取樣品進(jìn)行實(shí)物橋殼的垂直彎曲剛度、彎曲靜強(qiáng)度、疲勞等一系列試驗(yàn)。根據(jù)各種試驗(yàn)屮出現(xiàn)的應(yīng)力集中位置、疲勞裂紋位置、長度來判別、認(rèn)可產(chǎn)品的制造質(zhì)量。這是一個(gè)反復(fù)修改和調(diào)整的過程，費(fèi)吋費(fèi)力。如果在設(shè)計(jì)或檢測過程中，建立驅(qū)動(dòng)橋殼的有

5、限元模型，在計(jì)算機(jī)上模擬相關(guān)試驗(yàn)，再通過小部分抽樣實(shí)驗(yàn)，則會(huì)使設(shè)計(jì)和檢測過程縮短，減少抽樣數(shù)目，降低生產(chǎn)成本，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。65型驅(qū)動(dòng)橋橋殼的3D實(shí)體模型和有限元模型建立1.橋殼的結(jié)構(gòu)組成及3D實(shí)體模型的建立65型橋殼屬于整體式鋼板沖壓焊接式橋殼，CAD裝配設(shè)計(jì)圖如圖1所示。利用PRO/E軟件進(jìn)行3D建模后，通過接口讀入ANSYS-WORKBENCH后進(jìn)行適當(dāng)簡化得到的幾何模型如圖2所示。圖1二維CAD工程裝配圖圖2導(dǎo)入ANSYSWORKBENCH中的3D幾何裝配圖1.有限元分析模型的建立利用已經(jīng)簡化好

6、的兒何模型，在ANSYS-WORKBENCH內(nèi)對其進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,劃分網(wǎng)格后得到總計(jì)154729個(gè)單元，363277個(gè)節(jié)點(diǎn)的有限元計(jì)算模型如圖3所zjO圖3簡化后有限元網(wǎng)格模型1.橋殼主要材料參數(shù)橋殼本體材料采用B510L,彈性模量為200GPa；泊松比0.3；屈服應(yīng)力355MPa,屈服極限610MPao驅(qū)動(dòng)橋的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)果初步判定1.臺(tái)架試驗(yàn)方法及評價(jià)指標(biāo)要求臺(tái)架試驗(yàn)是為了取得汽車零件是否達(dá)到預(yù)期性能的判斷數(shù)據(jù)，因此要選擇能正確反映實(shí)際性能的方法。本文采用《中華人民共和國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》QC/T

7、533-1999汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)試驗(yàn)方法。（1）試驗(yàn)FI的：檢查驅(qū)動(dòng)橋橋殼的垂直彎曲剛度和垂直彎曲強(qiáng)度，計(jì)算其抗彎后備系數(shù)。（2）試驗(yàn)樣橋：共取同一批次試驗(yàn)樣橋5根。（3）試驗(yàn)方法：液壓疲勞試驗(yàn)和（或材料試驗(yàn)機(jī)）液壓千斤頂、百分表（或位移傳感器）等。（4）試驗(yàn)程序：把安裝有后蓋的橋殼安裝在支架上，橋殼必須放平。如力點(diǎn)為二鋼板彈簧中心，則支點(diǎn)為該橋輪距的相應(yīng)點(diǎn)，或者將力點(diǎn)和支點(diǎn)位置互換。安裝時(shí)，加力方向應(yīng)與橋殼軸管中心線垂直，支點(diǎn)應(yīng)能夠滾動(dòng)，以適應(yīng)加載變形不至于運(yùn)動(dòng)干涉。安裝之后應(yīng)加載至滿載軸荷2?3次，卸載后進(jìn)行正式

8、測量。卸載至零時(shí),調(diào)整百分表至零位，測點(diǎn)位置不應(yīng)少于7點(diǎn)。應(yīng)緩慢加載，從零開始記錄百分表或位移傳感器，用應(yīng)變儀檢測負(fù)荷。每根橋殼最少測3遍。每次試驗(yàn)開始時(shí)都應(yīng)把量表調(diào)至零。當(dāng)進(jìn)行橋殼垂直彎曲靜強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，加載至2.5倍滿載軸荷時(shí)，取下百分表，依次加載至破壞，中間不得反復(fù)。記錄失效（斷裂或嚴(yán)重塑性變形）荷載。（5）垂直彎曲剛度試驗(yàn)評估指標(biāo)：滿載軸荷時(shí)每米輪距最大變形不超過l