重型矿用汽车后桥壳强度有限元分析.pdf

2006年用户年会论文重型矿用汽车后桥壳强度有限元分析王继新王国强罗世魁[吉林大学]张强薛建民[北方重型汽车股份有限公司][摘要]本文建立了具有油气悬挂的某重型矿用汽车后桥壳3维实体有限元模型。分析了7种典型静载荷工况下后桥壳的应力及变形。对后桥壳进行了模态分析及冲击载荷作用下的响应计算。利用ANSYS的接触非线性功能，讨论了半轴套管与后桥壳的过盈配合对后桥壳强度的影响。[关键词]重型汽车桥壳有限元ANSYS1引言在某重型矿用车后桥的开发过程中，应用ANSYS的有限元仿真功能，分析后桥的破坏原因、确定修补方案；并且研究结构改进，从而缩短设计、试制周期，节省试验和生产费用。因此，ANSYS软件对于提高后桥的可靠性、经济性发挥了重要作用。该矿用车的后桥为5个铸造件的焊接联接、螺栓联接的总成，它承受并传递各种载荷，是整车的关键件。对其进行静强度计算、模态分析是确保车辆安全运行的需要。该后桥共有3种结构，第一种为原设计结构，第二种为返修方案的加筋结构，第三种为改进结构。对每种结构的后桥分别进行了模态分析和7种工况的静强度分析，通过分析确定了改进的设计方案。2.后桥有限元计算模型的建立2.1结构简介该矿用车后桥的主要部分都是铸造件，包括两个半轴套管、一个桥壳、一个主减速器壳、一个A型架。后桥计算需要的主要技术参数见表1，材料参数见表2。表1主要技术参数整车满发动机最大总传前、后满载整整车质心载质量输出转矩动比轴距车质心高距前桥距离80000Kg2237N.m126.63960mm2290mm2748mm表2材料参数弹性模量(Mpa)泊松比密度（kg/m3）屈服极限(Mpa)强度极限(Mpa)2100000.37.8E36558272.2后桥结构的等效简化本次建立的后桥有限元模型为实体模型，模型必须反应危险部位应力，因此有限元模型应尽量保留原实体结构的某些细节。但为减少节点数量，避免浪费，必须对非危险部位的细12006年用户年会论文节结构进行简化。简化方法是：1）保留危险部位的细节结构；2）略去某些非感兴趣区域的铸造圆角；3）以倒斜角取代倒圆角；4）略去工艺结构；5）忽略不重要区的小孔及小尺寸结构；6）焊缝的联接强度等于铸造件的强度；7）螺栓联接的强度等于铸造件的强度，即认为螺栓联接的两个零件是连续一体的；8）把过盈联接的两个零件看成连续一体的一个零件。2.3单元选择该后桥由铸造件加工而成，需利用三维实体单元模拟其力学特性，所以本次分析选用了20结点等参单元SOLID95和10结点等参单元SOLID92号单元。这两种单元都适合于模拟从CAD软件导入的复杂模型。在模拟销轴约束和油气弹簧约束时，用到了BEAM4梁单元和LINK8杆单元。危险部位需要细划网格，控制网格的方法是：先控制线上的单元份数，面上的单元边长，然后用SHELL93给面划分网格，最后用SOLID95划分体的网格。当所有的体网格都划完之后，把所有四面体型SOLID95单元转化成SOLID92号单元，并删除面上的网格。图1为启动工况的图1有限元网格及其载荷、约束网格、载荷、约束。2.4边界条件及其计算载荷在处理强度计算的位移边界条件时，主要考虑整个后桥壳的支承受力情况。桥壳处于受力平衡状态，因此对后桥的位移边界条件可做如下处理：1）假设简化后的A型架为刚体，只传递力和力矩，其材料的弹性模量为桥壳的1000倍，用球坐标系模拟A型架的球铰。2）用梁单元模拟销轴；再用不同弹性模量的杆单元模拟油气弹簧，约束油气弹簧与车架的铰接的3个平动自由度。3）用梁单元模拟横拉杆的销轴，在销轴的中点上加UZ约束。1）假设轴承对半轴套管的压力在半圆周上按余弦规律分布，侧向力均匀地作用在轴承定位端面上。当半轴套管同时受铅锤向上的力、水平向前或向后的力时，ANSYS可以分两次加载，然后按相加的方式自动求出合力。2）假设制动器的制动力按余弦规律分布在制动器的8个安装孔上。3）忽略主减速绕车辆前进方向的转矩，只将主减速器的绕后桥轴线的转矩简化成作用在主减速器壳端面的分布力。4）轮边减速齿圈的扭矩简化成作用在半轴套管轴头的整个圆周的按柱坐标均匀分布的切向力。3过盈配合产生的预应力桥壳与半轴套管除通过焊缝连接外，还有一段过盈配合连接，半径上的最大过盈量为0.1016mm，最小过盈量为0.0381mm，配合长度为200mm。22006年用户年会论文过盈配合必然产生预应力，由过盈配合的理论计算公式可以得出：配合直径不变时，半轴套管的内径越大，配合压力越小；桥壳的外径越小，配合压力越小。图2等效应力图配合压力越大，产生的预应力就越大，所以必须根据需要合理控制过盈量。在加强结构的后桥中，半轴套管的内径变小，配合压力增加，预应力将增加。为了确定过盈配合产生的预应力对桥壳的影响，本次分析建立了一个等效模型，模拟半轴套管与后桥壳