摘要：建立了基于 ANSYS 的汽车驱动桥壳的参数化有限元模型，在最大垂向力工况下对桥壳进行静力分析，得到桥壳的应力和位移分布规律。对桥壳进行模态分析，得到桥壳1至6 阶固有振动频率。最后采用目标驱动优化方法对桥壳进行以轻量化为目标的优化。有限元分析和试验验证结果表明，优化后桥壳轻量化效果明显，应力与变形符合要求。
关键词：驱动桥壳；静力分析；模态分析；疲劳寿命；优化
前言
汽车轻量化是实现节能减排的重要手段和方法，汽车轻量化实质上是零部件轻量化。一方面节约原材料，降低生产成本；另一方面降低燃油消耗，减少排放。目前国内对汽车零部件的设计已经从主要依靠经验逐渐发展到应用有限元方法进行强度 计算和分析阶段。只有结构优化方法能够解决汽车生产过程中的高性能、低成本与轻量化的矛盾。驱动桥壳是汽车的主要承载件和传力件，作为主减速器、差速器和半轴的装配基体，并将载荷传给车轮。作用在驱动车轮上的牵引力、制动力和横向力，也是经过桥壳传到悬挂及车架或车厢上的。因此，驱动桥壳的使用寿命直接影响汽车的有效使用寿命。
本文中采用有限元法对威铃轻型货车后驱动桥壳（假定为整体成形桥壳，非冲焊桥壳，忽略焊接的影响）在最大垂向力工况下进行强度刚度校核，模态分析，在此基础上进行疲劳寿命预测，找出驱动桥壳 的潜在危险位置。在保证满足桥壳强度刚度的条件下，对桥壳进行优化，实现桥壳轻量化。最后对轻量化的结果进行模拟验证，从而确定了较合理的设计方案，由此提高了产品性能，节省了材料，提高了驱动桥壳的设计水平，减少了实际试验研究的费用和时间，为企业对桥壳改进和新产品开发提供理论指导。
1 最大垂向力工况静力分析
对4. 5t 江淮威铃轻型货车桥壳进行静力分析，桥壳尺寸参数如下：壁厚8mm，轮距1600mm，板簧距890mm。在ANSYS DesignModeler中建立参数化模型（壁厚为设计变量），在保证有限元分析精度的条件下，忽略一些无关紧要的结构，如放油孔、加油孔和螺栓孔等，保留对有限元分析有影响的部分，如凸包、固定环、轴头和钢板弹簧座等，建立实体模型；导入ANSYS Workbench后划分网格（无需定义单元类型），施加载荷和约束，求解后得到桥壳的mises应力分布云图和等效位移分布云图。
应力集中出现在约束处，最大应力为191.62MPa，应力较大区域位于板簧座和中间凸包之间的过渡区域，但都远小于材料的屈服应力（345MPa），其他区域应力较小。
等效位移较大区域出现在两板簧座之间区域，最大变形量为1.245mm。由于轮距为1.6m，每1m轮距变形量为0.778mm，远小于1.5mm，桥壳满足强度和刚度要求。
2模态分析
模态振型的大小表征的是在某一点固有频率上振动量值之间的相对比值，反映该固有频率上振动的传递情况，并不反映实际振动变形数值。模态分析是进行各项动力分析的前提和基础，它为振动系统的动态设计和故障诊断提供了数值依据。
汽车在行驶过程中，在保证驱动桥壳有足够静强度和刚度的同时，还须考虑其振动情况。为避免共振，桥壳的固有频率必须大于工作频率。
汽车在凹凸不平的路面上行驶，汽车振动系统承受路面作用的激励多属于频率在0～50Hz范围的垂直振动。桥壳的固有频率远大于工作频率，桥壳不会产生共振破坏。
3桥壳优化
目前结构优化有两种主要途径。一是通过拓扑优化方法在其最大设计空间内寻找材料的最优分布。能够在满足所需性能的前提下，达到所需的最小柔顺度、体积或质量。但是拓扑优化存在不能控制结构局部强度的缺点。另一种是形状优化，能够使局部强度和刚度达到指定目标的同时质量和体积最小化。综合比较宜采用形状优化。
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目标驱动优化是一种多目标优化技术，从一组样本（即一定量的设计点）中得出最佳的设计点。本文中的设计变量为桥壳挖洞。经过ANSYS Workbench优化得到响应曲面，如图11所示。响应曲面主要用于直观观察输入参数的影响，通过图表形式动态显示输入与输出参数的关系。随着桥壳体积变化，桥壳质量减轻，桥壳的最大等效位移增大，最大mises应力也呈现增大的趋势。
通过优化结构体积来达到优化结构质量的目的。以质量最轻为目标函数，优化问题描述为经过 ANSYS分析计算，产生3个最佳候选设计点，经过比较可知设计点A为最佳设计点，桥壳在满足要求的前提下质量最轻。
4结果验证
4.1试验验证
依据QC/T533—1999《汽车驱动桥台架试验方法》对优化后桥壳进行垂直弯曲疲劳试验，试验采用型号为ZDH-QK-PL的桥壳疲劳试验机，满载轴荷为22050N。在板簧座处施加正弦波循环载荷，最大载荷为55125N，最小载荷为11025N，载荷频率5Hz。取3个桥壳样品进行台架试验。
可知，两者存在一定的差异，究其原因可能有：（1）有限元分析中将桥壳视为一个整体结构，忽略了焊缝结构，焊接结构对桥壳整体疲劳寿命有显著影响；（2）本文中为简化计算，与实际桥壳相比，模型进行了适当简化，忽略了放油孔、加油孔和螺栓孔等，这也会使仿真结果与试验结果存在一定误差。
在不改变桥壳使用性能的前提下，优化前桥壳质量为73.053kg，优化后减少到59.909kg，轻量化效果较明显。
5结论
采用有限元分析软件ANSYS Workbench对驱动桥壳进行强度和刚度校核及模态分析，计算结果表明桥壳具有足够的强度和刚度。并在此基础上进行疲劳寿命分析，找出驱动桥壳潜在的危险位置。利用目标驱动优化方法对桥壳进行优化，桥壳质量降低了21.9%，轻量化效果明显，节约了材料，结构更加合理。汽车驱动桥壳的轻量化设计可为企业生产起到一定的指导作用。
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论文作者:张华强
论文发表刊物:《基层建设》2019年第21期
论文发表时间:2019/10/17
标签：汽车论文; 强度论文; 有限元论文; 应力论文; 刚度论文; 轻量化论文; 载荷论文; 《基层建设》2019年第21期论文;