ANSYS-WORKBENCH在桥壳失效分析中的应用实践

1 前言

    乘用车驱动桥是整车的关键零部件，其性能直接影响整车的安全性、可靠性。驱动桥总成是否满足产品的设计需要，对整车的性能起到关键作用。
    桥壳是驱动桥总成上一个单独的件，它具有支撑汽车载荷的作用，并将载荷传递给车轮。作用在后桥车轮的牵引力、制动力和侧向力及垂直载荷经后桥传递到车架上。若汽车后桥的强度及刚度不能达到要求，则会失效，可能会造成后桥断裂，或永久变形，不能再继续使用。因此在设计上，为了达到安全要求，对驱动桥的刚度有一定要求。本文中的驱动桥桥壳主要用于微型货车，它是由中段的钢板冲焊件分别与两端的无缝钢管焊接而成。

2 有限元模型的建立及分析

图1 后桥主要结构

    后桥总成包括：桥壳焊接总成、主减总成、半轴总成，他们之间通过螺栓和轴承传递力，因此，在进行有限元模型建立时，按照以往分析经验对一些连接和零件进行简化。

图2 通过HyperMesh建立的模型

3 驱动桥桥壳有限元分析模型建立

    根据汽车相关设计要求及试验标准，利用有限元软件HyperMesh建立有限元模型，使用有限元求解器RADIOSS对驱动桥进行力学性能分析。当汽车高速行驶于不平路面上时，驱动桥除承受在静止状态下的那部分载荷外，还承受附加的冲击载荷，这种工况下最为危险， 此时后桥桥壳的位移分布情况，如图3所示。

        
   图3              图4

4 驱动桥桥壳优化目标建立

    由图3可知，该后桥的刚度为1.17，不能满足企业后桥刚度为1的标准，后桥最大位移在中段，将桥壳中段单独提取出来，我们查看中段的位移云图（图4），我们可以看出，红色区域是影响刚度的关键位置。因此我们需要对红色区域截面进行优化。根据产品结构和现有的加工工艺，我们选取形状优化方法(Shape Optimization)。
    根据优化设计方法，我们需要寻找设计区域，在本后桥中，最大影响区域在中段，优化区域为后桥中段，其中中段与主减总成和后盖连接的区域为中段非优化区域，图5为设计区域与非设计区域，图6为设计区域Shape设计变形情况。
    定义约束，从优化目标可知，优化的目标是满足后桥刚度为1的要求，那么我们将后桥的最大位移作为我们的约束，因此，我们定义后桥中段非设计区域的最大位移节点的位移小于1.43mm作为约束。

        
图5                         图6

5 结果评价

图7

    从图7可知，优化后的中段最大位移为1.45mm，满足后桥刚度。通过HyperMesh将优化后的网格进行几何重建，导入到CAD软件中。
    通过该有限元优化分析，可以更好地把握产品设计的动向，并减少了开发周期和开发时间，可进一步提升产品的质量。本文使用HyperMesh软件作为有限元分析的前处理工具，能够实现快速有限元网格划分，并且满足分析所需要的网格质量，使用OptiStruct作为优化求解器，得到了很好的结果。