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汽车后驱动桥壳有限元分析 摘要 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 的轻量化。汽车驱动桥壳是支撑汽车荷重并将载荷传递给车轮的重要的壳体零 件，驱动桥壳的使用寿命直接影响到汽车的有效寿命。传统的桥壳设计采用经验 设计的方法，存在设计周期长，成本高等弊端。随着计算机和c a e 技术的发展， 有限元分析技术越来越多的应用于桥壳设计和分析中。本文的研究对象为某轻型 汽车后驱动桥壳，利用有限元分析软件a n s y s 和优化设计理论对桥壳进行全面 的校核和分析，以确保桥壳在各种复杂工况下满足使用要求。对桥壳的焊接温度 场和应力场进行分析，研究焊接过程对桥壳结构的影响，对企业桥壳产品的开发 和生产有一定的实用价值和指导意义。 本文使用a n s y s 软件对桥壳在4 种典型工况下进行静态分析，得到桥壳各处 在这四种工况下的应力和位移分布规律，对桥壳进行模态分析得到得到1 6 阶固 有频率以及相应振型。在最大垂向力工况下，对桥壳进行疲劳寿命分析，得到桥 壳各处的疲劳寿命和安全系数，找出潜在危险区域。从仿真结果出发，构造优化 的数学模型，并通过基于目标驱动优化( g o a l d r i v e no p t i m i z a t i o n ，g d o ) 的仿 真计算，提出了桥壳轻量化设计方案。经有限元模拟检验和试验验证结果表明， 桥壳轻量化效果明显，优化后的方案完全符合实际工况的要求。 对桥壳进行焊接温度场分析，研究不同时刻桥壳各部分的温度场分布规律， 重点探讨了不同的焊接工艺参数( 焊接电流、焊接电压和焊接速度) 对桥壳焊接 温度场的影响。采用正交设计法，研究三个焊接工艺参数对焊接温度场的影响程 度。在温度场分析的基础上对桥壳进行残余应力场分析，得到不同时刻桥壳各部 分的残余变形和残余应力场的分布规律。 关键词：汽车驱动桥壳；静态分析；模态分析；疲劳寿命分析；结构优化；焊接 温度场分析；残余应力场分析 f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so f v e h i c l ed r i v ea x l e h o u s i n g a b s t r a c t a u t o m o b i l el i g h t e n i n gi sa l li m p o r t a n tm e a n st oa c h i e v ee n e r g ys a v i n ga n d e m i s s i o nr e d u c t i o n a u t o m o b i l el i g h t e n i n gi s e s s e n t i a l l yp a r tl i g h t e n i n g v e h i c l e d r i v ea x l eh o u s i n gi sa l li m p o r t a n ts h e l lp a r tw h i c hc a r ls u p p o r ta u t o m o b i l el o a d i n g w e i g h ta n dt r a n s f e r1 0 a dt ow h e e l t h es e r v i c el i f eo ft h ea x l eh o u s i n gd i r e c t l ya f f e c t s t h ee f f e c t i v el i r e t h et r a d i t i o n a ld e s i g no ft h ea x l eh o u s i n gi s e x p e d e n c em e t h o d ， w h i c hh a st h ed e f e c t so fl o n gd e s i g n p e r i o d ，h i g h c o s ta n ds oo n w i t l lt h e d e v e l o p m e n to f t h ec o m p u t e ra n dc a e t e c h n o l o g y , f m i t ee l e m e n ta n a l y s i st e c h n i q u e s a l ei n c r e a s i n g l yu s e di nt h ed e s i g na n da n a l y s i so ft h ea x l eh o u s i n g b yt a k i n gr e a r d r i v ea x l eh o u s i n go ft h el i g h tc a ra st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ea n s y sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g nt h e o r ya r eu s e dt oc o n d u c ta c o m p r e h e n s i v e c h e c ka n da n a l y s i so nt h ea x l eh o u s i n gt oe n s u r et h a tt h ea x l eh o u s i n gm e e t st h e r e q u i r e m e n t si nav a r i e t yo fc o m p l e xc o n d i t i o n s w e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l da n d r e s i d u a ls t r e s sf i e l do fv e h i c l ed r i v ea x l eh o u s i n ga r ea n a l y z e db a s e do na n s y s n l e s t u d i e so nt h ei n f l u e n c eo fw e l d i n gp r o c e s sf o rv e h i c l ed r i v ea x l eh o u s i n gs t r u c t u r e a n a l y s i s t h e s ew i l lb eh a v eac e r t a i np r a c t i c a lv a l u ea n ds i g n i f i c a n c ei nt h e d e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o no ft h ea x l eh o u s i n gp r o d u c t 1 1 1 ed i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tw e r eo b t a i n e db ys t a t i ca n a l y s i s u n d e rf o u rw o r kc o n d i t i o n s 1s tt o6 t hn a t u r a lf r e q u e n c i e sw e r em e a s u r e dt h r o u g h m o d a la n a l y s i s f a t i g u el i f ea n ds a f e t yf a c t o ro ft h ed r i v ea x l eh o u s i n gw e r ea l s o i n v e s t i g a t e dv i at l l ef a t i g u el i r ea n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ef e m c a l c u l a t e dr e s u l t s t h e o p t i m i z e dm a t h e m a t i cm o d e lw a sd e v e l o p e da n dt h ed r i v ea x l eh o u s i n gw a s c a l c u l a t e db a s e do ng d 0t op r o p o s eal i g h t w e i g h td e s i g n i ti ss h o w nt h a tt h ee f f e c t s o fl i g h t w e i g h td e s i g na r eo b v i o u s ，a st h eo p t i m i z e dp l a ni si na c c o r d a n c ew i t ha c t u a l w o r kc o n d i t i o nb yc o m p a r i n gt h ef e mc h e c ka n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n w e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l di sa n a l y z e do nd r i v ea x l eh o u s i n g ，n l et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nl a w sf o rd i f f e r e n tp a r t so ft h ea x l eh o u s i n gi nd i f f e r e n tt i m ea r es t u d i e d n l ee f f e c t so fd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r s ( w e l d i n gc u r r e n t w e l d i n gv o l t a g ea n d w e l d i n gs p e e d ) f o rw e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l do ft h ea x l eh o u s i n ga r em a i n l yd i s c u s s e d t h ei n f l u e n c ed e g r e et ow e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l do nt h r e ew e l d i n gp a r a m e t e r si s s t u d i e du s i n go r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o d t h er e s i d u a ls t r e s sf i e l do ft h ea x l e h o u s i n gi sa n a l y z e do nt h eb a s i so ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i s k e y w o r d s ：v e h i c l ed r i v ea x l eh o u s i n g ；s t a t i ca n a l y s i s ；m o d a la n a l y s i s ；f a t i g u el i f e a n a l y s i s ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ；w e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i s ；r e s i d u a ls t r e s s f i e l da n a l y s i s 致谢 本毕业论文是我研究生三年学习的知识总结，值此论文完成之际，首先对我 的导师薛克敏教授的辛勤培养和无私的关怀表示衷心的感谢! 导师渊博的知识、 严谨的治学态度、敏锐的洞察力、兢兢业业的工作精神和高尚的品格深深教育了 我。无论是对文献查阅、论文选题、还是学术论文发表，还是毕业论文成稿，都 倾注了导师大量的心血，在此，谨向导师致以崇高敬意和诚挚的祝福。 同时，衷心感谢李萍教授在课题研究中对我的悉心指导和鼓励，在生活上给 予的悉心关怀和帮助。 课题进行过程中，本课题组的周结魁、徐迎强、张超、张翔，李晓冬，徐珂， 姜华海，江政，钱陈豪同学在课题进行过程中给予了大力的支持和帮助，在此一 并表示感谢! 衷心感谢本课题组师兄师姐师弟师妹们在平时学习和生活中给予的支持和 帮助。 感谢材料科学与工程学院和所有老师七年来对我的培养。感谢合肥工业大 学，这个文化底蕴深厚、安详宁静而又激情飞扬的地方，塑造了我积极乐观的人 生态度，刻画了我永远留恋的青春记忆，让我在这个即将离别的时候，如此不舍。 特别感谢张倩倩师姐、王晓溪师姐和李琦师兄在研究生学习和学术过程中都 给予的了大力帮助、指导和支持。同时感谢材料力n 1 0 9 - 8 班全体同学及室友在生 活上给予我的关心，帮助以及学业上的切磋和指点。 最后，把最真诚的感谢献给养育我的父母和家人，他们一直在默默地关心、 支持和鼓励我，感谢他们! 感谢所有关心和帮助我的老师、朋友和家人。 作者：刘为 2 0 1 2 年4 月l o 日 插图清单 图1 1 汽车驱动桥壳2 图1 2 桥壳实物图2 图1 3a n s y s 经典版操作界面6 图1 - 4 a n s y sw o r k b e n c h 操作界面6 图2 1 桥壳参数化模型9 图2 2 桥壳网格划分9 图2 3m i s e s 应力分布云图1 1 图2 4 等效位移分布云图1 l 图2 5 支点，力点和测点位置图1 2 图2 - 6m i s e s 应力分布云图1 2 图2 7 等效位移分布云图1 3 图2 8m i s e s 应力分布云图1 3 图2 9 等效位移分布云图1 4 图2 1 0m i s e s 应力分布云图1 4 图2 1 1 等效位移分布云图1 5 图2 1 2 最大垂向力工况1 6 阶振型1 7 图2 1 3 最大牵引力工况1 6 阶振型18 图2 1 4 紧急制动工况1 - 6 阶振型1 9 图2 1 5 最大侧向力工况1 6 阶振型2 1 图2 1 6s - n 曲线一2 3 图2 1 7 疲劳分析流程图2 4 图2 1 8 桥壳疲劳寿命2 4 图2 1 9 桥壳安全系数2 4 图2 2 0 响应晦面2 6 图2 2 1 桥壳质量、最大等效位移以及最大m i s e s 应力关系图表2 6 图2 2 2 候选的优化设计点2 7 图2 2 3 优化后桥壳m i s e s 应力分布云图2 8 图2 2 4 优化后桥壳等效位移分布云图2 8 图2 2 5 优化后桥壳1 - 6 阶振型2 9 图2 2 6 优化后桥壳疲劳寿命3 0 图2 2 7 优化后桥壳的安全系数3 0 图2 2 8 桥壳台架试验3 0 图3 1s o l i d 7 0 热实体单元示意图3 4 图3 216 m n 的密度3 5 图3 31 6 m n 的导热系数3 5 图3 41 6 m n 的比热容3 6 图3 5 桥壳1 4 模型3 6 图3 - 6y 型焊缝第一段热源方程设置3 7 图3 7 y 型焊缝笫二段热源方程设置3 8 图3 8y 型焊缝第三段热源方程设置3 8 图3 - 9 温度场分析求解控制界面3 9 图3 1 0 桥壳焊接温度场分布云图4 0 图3 1 1 沿焊缝长度方向等距离三节点的热循环曲线4 0 图3 1 2 沿垂直焊缝方向四节点的热循环曲线4 1 图3 1 3 焊缝高度方向上5 节点的热循环曲线4 1 图3 1 4 不同焊接电流下的热循环曲线4 2 图3 1 5 不同焊接电压下的热循环曲线4 2 图3 1 6 不同焊接速度下的热循环曲线4 3 图4 1 转换单元4 8 图4 2s o l i d l 8 5 实体单元示意图4 9 图4 31 6 m n 残余应力相关数据5 0 图4 4 删除载荷信息5 0 图4 5 前三次热源加载应力计算控制界面5 l 图4 6 冷却时应力计算控制界面。5 1 图4 7 桥壳焊接z 向位移分布云图5 3 图4 8 沿焊缝方向选取7 节点z 向变形量随时间变化曲线5 4 图4 9 垂直焊缝长度方向6 节点z 向变形量随时间变化曲线5 4 图4 1 0 焊缝高度方向上5 节点z 向变形量随时间变化曲线5 5 图4 1 1 桥壳焊接残余m i s e s 应力分布云图5 6 图4 1 2 沿焊缝方向选取7 节点残余m i s e s 应力随时间变化曲线5 7 图4 1 3 垂直焊缝方向6 节点残余m i s e s 应力随时间变化曲线5 7 图4 1 4 焊缝高度方向上5 节点残余m i s e s 应力随时间变化曲线5 8 插表清单 表2 1 桥壳材料属性9 表2 2 各工况下桥壳的加载方式和约束条件1 0 表2 3 垂直弯曲刚度计算结果。1 2 表2 4 最大垂向力工况1 6 阶固有频率表1 6 表2 5 最大牵引力工况1 6 阶固有频率和相应振型1 8 表2 - 6 紧急制动工况1 6 阶固有频率和相应振型2 0 表2 7 最大侧向力工况1 6 阶固有频率和相应振型2 0 表2 8 优化后后桥壳1 6 阶固有频率和相应振型2 8 表2 9 桥壳台架试验结果3 1 表2 1 0 桥壳优化前后比较3 1 表3 11 6 m n 钢与温度场相关的热物理参数3 5 表3 2l 4 ( ，2 3 ) 。4 4 表3 3 桥壳焊接工艺模拟正交试验及其结果分析4 5 表4 11 6 m n 与残余应力场相关的热物理参数4 9 第一章绪论 1 1 引言 在零部件的设计过程中，设计者一个重要的任务和目标就是在保证使 用强度、刚度和寿命的情况下，采用合理的结构，同时也要保证材料能够 得到最大程度的有效利用。 目前国内的大部分驱动桥壳制造商一般采用材料力学的简化计算与 经验设计两者相结合的方法进行桥壳的结构设计。桥壳传统的计算方法是 将汽车驱动桥壳看成一个简支梁，需要对桥壳进行简化，这在一定程度 上影响了桥壳校核的准确性。该种方法很难得到桥壳上任意区域的应力数 据，仅能估算出桥壳上的任一断面上的应力数据 2 - 3 】。目前国内绝大多数 的桥壳制造企业使用整车道路行驶试验、台架试验等方法来校核其应力、 变形量和寿命是否满足要求。上述方法都具有一定的不合理性且费时费力 一j 。伴随信息技术和c a d c a e c a m 技术的逐步应用，有限元仿真和结构 优化设计等逐渐被工程技术人员所采用 5 1 。通过建立汽车驱动桥壳的有限 元仿真模型，进行静态分析( s t a t i ca n a l y s i s ) 、模态分析( m o d a la n a l y s i s ) 、 疲劳寿命分析( f a t i g u el i f ea n a l y s i s ) 以及优化设计( s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ) ， 可以根据分析结果进一步修正模型，大大的减少了桥壳试件的制作时间以 及开发成本1 6 j 。运用有限元分析软件( 如a n s y s 软件) 对桥壳进行分析， 可以缩短产品的开发周期，在保证产品质量的同时实现轻量化，给企业和 社会带来可观的综合效益。 本文的研究对象为某轻型汽车后驱动桥壳，使用有限元仿真软件 a n s y sw o r k b e n c h 和优化设计理论并对桥壳进行全面的校核和分析，以确 保桥壳在各种复杂工况下都能够安全使用。使用a n s y s 对桥壳进行焊接 温度场( w e l d i n gt e m p c r a t u r ef i e l da n a l y s i s ) 和残余应力场分析( r e s i d u a ls t r e s s f i e l d a n a l y s i s ) ，分析桥壳在焊接过程中温度场和残余应力场的分布规律，研 究焊接过程对桥壳结构的影响，对企业桥壳产品的设计开发和生产都有一 定的参考价值和指导意义。 1 2 汽车驱动桥壳简介 驱动桥壳在汽车当中承担着承载和传力的作用，是差速器、主减速器 和半轴的装配基体且几何形状比较复杂。驱动桥壳承载着汽车的重量且传 递力给车轮，施加在驱动车轮上的牵引力、制动力、横向力，也是经过桥 壳传递到悬挂及车架或者车厢上的。因此，驱动桥壳的实际寿命关系到整 个汽车的有效寿命【7 谓】，驱动桥壳结构示意图如图1 1 所示。 图1 1 汽车驱动桥壳 桥壳可通过冲压焊接、铸造、扩张成形和液压胀形等方法进行制造。 本课题主要对冲压焊接、扩张成形和液压胀形方法生产的桥壳进行分析， 其中后两种属于桥壳的整体成形。如图1 2 ( a ) 和图1 2 ( b ) 分别是冲压 焊接式桥壳和整体成形的桥壳的实物图。冲压焊接式的桥壳通常由一对冲 压而成的桥壳主件、四块三角钢板镶块、加强圈、两个半轴套管、两个凸 缘、两个油封座径圈、一个后盖凸包和两个钢板弹簧座焊接而成 9 1 。冲压 焊接式桥壳相跟铸造式桥壳相比，存在加工工艺简单，废品率低，材料利 用率高，加工成本低等优点，桥壳很难做成复杂形状且成形效果好的断面 是其一大缺点。整体成形桥壳其生产效率和材料利用率高，缺点是必须要 用专用设备【7j 。 ( a ) 冲压焊接式桥壳 图1 2 桥壳实物图 ( b ) 整体成形桥壳 1 3 桥壳有限元分析国内外研究现状 1 3 1 桥壳结构分析国内外研究现状 驱动桥壳失效破坏研究方面，陈效华、刘心文两位学者针对某款微型 汽车驱动桥在强检过程中产生的断裂问题展开研究并建立其有限元模型。 分析结果表明，桥壳在局部区域产生应力集中，改变桥壳的局部结构、改 善受力状况后应力峰值降低显著。将桥壳进行改进后进行实际试验，试验 结果没有出现裂纹l lo 。重庆大学的褚志刚、邓兆祥以及长安汽车股份有限 公司技术中心的李伟对驱动桥壳进行静态、动力学以及振动模态分析，分 析结果表明桥壳的静态性能合理，动强度不足，在1 4 h z 和4 4 h z 两个频率 的激励下会导致共振破坏。桥壳的中部的动应力最大，仿真结果与实际相 符i l 。长春工业大学的于英杰、于燕和王雪阳三人对冲焊桥壳进行了疲劳 试验，之后对其疲劳失效的截面进行宏观检验、金相观察、扫描和能谱分 析等，从微观和宏观方面对桥壳产生失效的机理和原因进行总结，并且提 出了不少能够改善桥壳疲劳失效的有效措施【12 1 。 对于桥壳整体成形方面国内文献不多。吉林大学的李初教授、燕山大 学王连东教授等人是研究桥壳液压胀形方面的专家，在液压胀形极限成形 系数、液压胀形环向小圆角成形、液压胀形数值模拟及试验方面取得一定 的成果l l3 。1 6 j 。丹东大学的易素君、邱立峻等人根据轻型汽车后桥壳在扩张 成形过程中成形工艺的影响因素、破坏形式以及解决方法进行了阐述并对 扩张成形的模具设计进行初步探讨【1 7 】。丹东轻型汽车零配件厂的谢德润、 程合海、吕德真等人以1 t 轻型车的驱动桥壳为典型实例，设计了钢管扩张 桥壳的外表形状、确定了其满载轴荷以及提出了强度和刚度的计算的方 法，探讨了桥壳本体扩张、焊接和机加工工艺【1 引。武汉汽车工业大学的刘 杰对用无缝钢管整体成形的桥壳在工艺设计过程中所出现的一些典型问 题进行了研究【l 圳。 关于桥壳在静态下的强度刚度校核研究的论文还是比较多的，使用材 料力学的方法进行危险截面的强度和刚度的校核是比较古老和传统方法 2 0 - 2 3 1 。随着计算机，有限元仿真软件的发展，对于桥壳的性能分析越来越 多的科研工作者采用有限元仿真的方法。有的研究学者综合考虑各种实际 工况，使用有限元仿真软件对后桥壳进行了强度、刚度校核，得到了一些 应力变化规律【1 - 3 , 2 4 1 。随着科研的深入，学者逐渐开始关注桥壳的动力学研 究。例如重庆公路科学研究所的唐光武，清华大学的金睿臣、宋健分别利 用模态分析技术对刚投入使用的驱动桥进行模态分析，分析得到驱动桥壳 的前几阶的固有频率及其相应振型 2 5 - 2 6 j 。合肥工业大学的牛忠荣和林正祥 以急刹车工况为典型工况，使用有限元分析软件a n s y s 对汽车驱动桥壳 进行了强度分析【2 。7 1 。青岛科技大学的孙维光和樊智敏等人研究了驱动桥壳 的瞬态动力学方面的规律，得到了一些动态载荷作用下的位移与应力分布 规律【2 8 1 。杭州电子科技大学的楼益强、赵文礼和孟庆华三人建立了动力学 模型以及汽车垂向振动的4 自由度动力学方程并根据上述方程和模型求解 得到了汽车在路面不平度下的瞬态载荷，在经过a n s y s 软件仿真后得到 了桥壳动应力分布及出现最大应力的区域，结果表明仿真结果符合实际情 况【2 9 1 。重庆大学的张健研究了某微型汽车的驱动桥总成的振动噪声分析， 结合分析结果提出了建设性的结构改进方案1 3 们。余成龙、董益亮两人研究 杂交系统理论后，利用该理论建立桥壳的动力学模型并开展动力学分析， 之后进行模态分析和动响应分析，取得了一些建设性的结论【3 1 】。 桥壳的实际使用寿命关系到整车的直接寿命，所以对桥壳进行疲劳寿 命的分析研究一直都是学界的热门课题。清华大学的李亮、宋健等人建立 带有焊缝的桥壳有限元模型，并对其进行疲劳寿命分析，仿真后得到的结 果与通过台架试验得到的寿命寿命数据大体一致【8 1 。重庆汽车研究所的李 阳使用a n s y s 软件对后驱动桥壳进行了疲劳寿命预测，并对桥壳进行台 架试验，然后进行数据的对比，疲劳分析的结果基本可靠【3 2 1 。清华大学的 高晶、宋健、朱涛三人对单事件和多事件工况下桥壳的疲劳寿命分析进行 了研究，并使用m s c f a t i g u e 对桥壳进行疲劳寿命分析，其结果与台架疲 劳试验得到的结果进行对比，结果表明两者基本一致【33 1 。清华大学的文凌 波、王会义和宋健等人建立桥壳的有限元模型并对其进行了疲劳寿命仿真 分析，分别研究了桥壳不同的结构形式，残余应力分布以及各种焊接过程 中产生的缺陷对桥壳疲劳寿命的影响，所得到的结果与实验结果相符【3 4 1 。 吉林大学李丽，使用m s c f a t i g u e 疲劳分析软件对桥壳进行疲劳寿命的预 测，预测的结果与实际相符【35 1 。同济大学的卢耀祖和张全慧对疲劳实验有 一定的研究，他们对桥壳进行了疲劳台架试验，在实验过程中找到了一种 使用计算机实时监测应力应变变化的方法，用此方法对疲劳裂纹产生、扩 展进行分析1 3 6 1 。 桥壳轻量化设计也是研究热点之一。同济大学的曾金玲、雷雨成和魏 德永三人对冲压焊桥壳进行轻量化设计，优化后提出了一种新方法改变桥 壳的结构即采用不等厚桥壳结构，该方法改变了以往桥壳设计思路，为企 业的冲压焊接桥壳设计具有一定的指导意义【37 1 。东南大学的羊玢、孙庆 鸿等人使用a n s y s 软件对桥壳进行了优化设计，桥壳轻量化效果明显， 优化后桥壳本体的厚度从8 m m 减少到7 m m ，桥壳重量也减轻了4 2 k g 3 8 】。 1 3 2 桥壳温度场研究现状 2 0 世纪7 0 年代开始，有限元仿真逐渐在焊接温度场得到应用。1 9 7 5 年，加拿大的p o l e y 和h i b b e r t 研究了非矩形截面的焊接温度场的编程，他 们编制了常见的如单层、双层u 、v 型坡口的焊接温度场的计算程序，并 亲自证实了用模拟仿真的方法进行焊接温度场的研究是可行的【3 9 1 。1 9 8 5 年f a n 和m u s h i o 假定电流呈高斯分布，通过计算得到了电弧压力场的变 化规律，完善的电弧传热传质模型得到了建立【4 0 1 。近年来随着计算机和 c a e 技术的发展，广大学者的也逐渐开始关注有限元分析在焊接温度场的 应用。华中科技大学的姜幼卿、辜磊和刘建华三人针对1 2 m m 厚度的铝合 4 金试样，使用a n s y s 软件进行y a g 激光焊一m i g 电弧复合焊的温度场模 拟，证实了旋转高斯体热源能适应厚板焊接【4 1 1 。天津大学的陈翠欣、李午 申和王庆鹏等人使用焊接分析软件s y s w e l d ，文章中为了跟实际的堆焊 相符而采用g o l d a k 热源，用于模拟低合金钢温度场，仿真结果与实验吻 合”引。清华大学的尹昕、赵海燕和刘大成研究双束电子束焊接，利用有限 元软件对其焊温度场进行了研究【4 3 1 。西北工业大学的罗怡和刘合金等人以 a z 6 1 镁合金板材为研究对象，利用仿真软件进行真空电子束焊接数值模 拟研究，仿真结果与实际电子束焊接得到的结果相符【4 4 1 。合肥工业大学的 李萌盛和王传标等人以a n s y s 软件为工具，采用双椭球热源来模拟电站 锅炉2 0 9 钢管熔化极混合气体保护焊的焊接过程，并利用软件预测了接头 当中的组织变化，结果与实际相符 4 5 1 。 1 3 3 桥壳残余应力场研究现状 焊接应力场的仿真模拟也开始于2 0 世纪7 0 年代。1 9 7 3 年v a i d y a n a t h a n 这位学者对板壳理论进行研究，为了计算薄壁管对接环焊缝的残余应力的 大小而提出一种计算方法，用该方法进行仿真分析，得到了与实验值吻合 度高的结果【4 引。a h y a g h i 等学者使用有限元软件对不锈钢管进行了残余 应力的模拟【47 1 。近年来，国内的科研工作者对焊接应力场的研究也在不断 的深入。哈尔滨工业大学的方洪渊、张学秋和杨建国等人利用有限元软件 针对薄板熔焊对接接头进行了研究，探讨其纵向应力应变的变化规律以及 从焊缝中心到母材边缘的纵向应力应变分布规律，仿真结果证实了焊缝处 存在着压缩变形，且母材由于距离焊缝位置较远，从而温度场对其影响较 小，从而导致不产生塑性变形1 4 引。武汉大学的朱援祥、张小飞和杨兵等人 以b h w 3 5 钢为研究对象，使用a n s y s 软件对其分别进行一次，三次， 五次补焊的模拟，模拟结果与实测值基本吻合 49 1 。西北工业大学的胡美娟， 以1 2 m m 厚的t c 4 钛合金板为研究对象，使用有限元软件对其电子束焊接 进行了仿真，得到了其残余应力场的分布规律”训。华中科技大学的吉巧杰 以封闭圆板为研究对象，利用a n s y s 软件对其焊接的温度场和应力场进 行了动态模拟，得到了不同时刻的温度场以及应力场中的切向和径向残余 应力分布规律，仿真结果与实验结果相比一致【5 1 1 。合肥工业大学的胡技军 以t 9 1 1 2 c 订m o v 、t 9 1 g 1 0 2 异种钢接头以及t 9 1 t 9 1 同种钢接头为研究 对象，分别对其进行了焊接动态温度场和应力场的仿真f 5 2 1 。 1 4a n s y s 及a n s y sw o r k b e n c h 简介 2 0 世纪7 0 年代，美国a n s y s 公司研制出了大型通用有限元分析软 件一a n s y s ，该软件功能强大，能够开展包括声、热、结构、流体、电磁 场以及多物理耦合场的研究，广泛应用在机械加工、能源、电子、土木、 水利、核工业、铁路、石化、航空航天、生物医药等领域【5 3 1 。 a n s y s 自从a n s y s7 0 开始就开发了新一代的c a e 应用平台，即 a n s y sw o r k b e n c h 。该平台优点很多，不仅具有和w i n d o w s 风格类似的友 好界面，还好学好用。a n s y sw o r k b e n c h 的操作界面新颖，操作思路独特， 受到了广大使用者的欢迎，a n s y s 为了扩展功能，a n s y s 公司兼并了 c f x 、f l u e n t 和a n s o f t 软件，并集成到a n s y sw o r k b e n c h 平台中，a n s y s w o r k b e n c h 具有强大的分析功能【5 4 55 1 。图1 3 ，图1 4 分别是a n s y s 的经 典版和a n s y sw o r k b e n c h 的操作界面。 e h 舭讯n4 _ 埘l _ ，t i - 0 i h d t 口6 、。l 一5 器c 一 霜薏五五磊磊i 磊面2 i i = = i 焉孑亏i i 三f 图1 3a n s y s 经典版操作界面 j - 。口- - - ” _ h - _ - - - 瞄舢t - 哮e a 一_ - 冀麟嘲辫躺鬻 t _ 岫， - 一 p 一 ， t * 一 - 一 图1 4a n s y sw o r k b e n c h 操作界面 1 5 课题来源、研究意义及主要研究内容 1 5 1 课题来源 本课题来源于安徽省科技计划项目( 1 1 0 1 0 2 0 2 1 6 0 ) 1 5 2 研究意义 本课题的研究对象是某轻型汽车后驱动桥壳，对冲压焊接桥壳( 忽略 焊缝影响) 在四种典型工况下( 最大垂向力工况、最大牵引力、最大制动 力以及最大侧向力工况) 进行静态和模态分析，对最大垂向力工况进行疲 型戴慰“耐 型雕型型劐堕型剧捌叫捌型剧型舅捌型型剿州 劳寿命分析，找出桥壳的潜在危险位置。接着以壁厚为设计变量，以桥壳 重量最轻为目标函数，对桥壳进行优化设计，达到了桥壳轻量化的目标。 提高了驱动桥壳的设计水平，减少了实际试验研究费用和时间，缩短产品 开发周期，为企业对桥壳的改进和新产品开发提供理论指导。 采用有限元分析软件一a n s y s 软件，充分考虑材料热物理性能与相 变潜热，为了与实际接近，采用双椭球热源对驱动桥壳进行焊接温度场和 残余应力场的模拟，研究焊接电压、焊接电流和焊接速度三个工艺参数对 焊接温度场和焊接残余应力场的影响，为企业桥壳的焊接工艺参数的合理 选择以及焊接质量控制提供参考。 1 5 3 课题主要研究内容 本文对桥壳进行结构分析、温度场和残余应力场分析，主要研究内容 如下： ( 1 ) 根据有限元模型建立的原则，对桥壳结构进行适当简化，建立 冲压焊接桥壳的有限元模型( 忽略焊缝的影响) 。使用a n s y sw o r k b e n c h 软件对在4 种典型工况下的桥壳进行静态分析，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 6 阶固有频率及其相应振型。 在最大垂向力工况下，对桥壳进行疲劳分析，获得桥壳各部分的疲劳寿命 和安全系数，找出桥壳潜在疲劳危险位置。从仿真结果出发，构造优化的 数学模型，并通过基于目标驱动优化( g o a l d r i v e no p t i m i z a t i o n ，g d o ) 的仿真计算，提出了桥壳轻量化设计方案。经有限元模拟检验和试验验证 结果表明，桥壳轻量化效果明显，优化后的方案完全符合实际工况的要求。 ( 2 ) 使用a n s y s 软件，采用与实际比较接近的双椭球热源对驱动桥 壳进行焊接温度场的仿真模拟，探讨焊接电压、焊接电流和焊接速度这三 个典型工艺参数对温度场的影响，采用正交试验方法考察各个焊接参数对 焊接温度场的影响程度。 ( 3 ) 在桥壳温度场分析的基础上进行焊接残余应力场的分析，找出 桥壳各处的残余应力分布规律，为桥壳焊接质量控制提供参考。 1 6 本章小结 本文对汽车后驱动桥壳进行了介绍，总结了桥壳结构分析、桥壳温度 场分析以及桥壳残余应力场分析的国内外研究现状，并对本课题的来源、 研究意义以及主要研究内容作了详细的阐述。 7 第二章桥壳结构有限元分析 2 1 引言 近年来国家大力倡导节能减排，环保低碳。汽车厂商也大力推行汽车轻量 化以实现节能减排。实现汽车最有效的方法是汽车零部件的轻量化。一方面节 约原材料，控制生产成本；另一方面可以减少燃油损耗以减少排放【5 6 1 。汽车零 部件的设计传统方法主要依靠经验设计，现在随着有限元技术的发展，有限元 仿真在零部件设计中应用越来越多。结构优化设计方法能够很好协调汽车零部 件在生产过程中的高性能、低成本和轻量化三者之间的统一【37 1 。 本文采用有限元法对某轻型汽车后驱动桥壳( 假定为整体成形桥壳，非冲 焊桥壳，忽略焊接的影响) 分别在最大垂向力工况、最大牵引力工况、最大制 动力工况和最大侧向力工况下进行强度刚度校核，模态分析，分别得到桥壳在 各自工况下的应力和位移分布规律、1 - 6 阶振型和固有频率。在此基础上进行 疲劳寿命预测，获得桥壳各部分的疲劳寿命和安全系数，找出驱动桥壳在最大 垂向力工况下的潜在疲劳危险位置。在保证满足桥壳强度刚度的条件下，对桥 壳进行优化设计，实现桥壳的轻量化。最后对优化结果进行验证，确定好的设 计方案。通过这种方法在提高了产品的性能的同时，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费用和时间，为企业对桥壳的改进和新 产品开发提供理论指导。 2 2 有限元模型建立 2 2 。1 实体模型建立 精确的建模是有限元分析的前提，本文以某轻型汽车桥壳进行静力分析， 桥壳尺寸参数如下：壁厚8 m m ，轮距1 6 0 0 m m ，板簧距8 9 0 m m 。在保证有限元 分析精度的条件下，提高运算速度，对实体模型进行一定精度下的简化，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、钢管弹簧座、月牙口等。本文在a n s y s d e s i g n m o d e l e r 中建立的桥壳参数化模型由桥壳本体、两个板簧座、两个半轴套 管、两个凸缘和一个凸包组成，如图2 1 所示。 8 图2 1 桥壳参数化模型 2 2 2 材料属性及网格划分 桥壳的本体材料为1 6 m n ，其他部分( 凸缘、凸包、板簧座以及半轴套管) 为4 0 c r ，桥壳的材料属性如表2 1 所示。 表2 1 桥壳材料属性 弹性模量密度屈服应力 名称材料泊松比 ( p a ) ( k g m 3 ) ( m p a ) 桥壳本体1 6 m n2 0 8 1 0 1 l0 3 l7 8 4 x1 0 3 4 5 半轴套管4 0 c r2 1 1 0 1 1 0 3 7 9 1 0 36 5 0 网格划分在有限元分析过程中至关重要。一般情况下网格数量的增加，会 提高计算精度，但同时计算规模会有所增加。在单元尺寸一定的情况下，六面 体网格数目的增加会提高计算精度和减少计算计算时间，但是对模型的结构的 复杂程度有一定的要求。a n s y sw o r k b e n c h 具有强大的网格划分功能，本文由 于模型有一定的复杂性，划分网格无法保证都是六面体网格。所以半轴套管和 凸缘采用六面体网格，桥壳本体、板簧座以及凸包采用四面体网格。经a n s y s w o r k b e n c h 划分网格后，该有限元模型共有节点数1 6 3 6 4 7 ，单元数8 0 5 8 7 ，如 图2 2 所示。 图2 - 2 桥壳网格划分 2 2 3 施加载荷和约束 载荷的正