基于Ansys／Workbench的沖壓驅動橋橋殼工藝分析

（安徽農業大學工學院，安徽 合肥230036）

近年國內很多研究機構和生產廠家就橋殼生產工藝進行了很多研究，主要的研究方向在于橋殼新的生產工藝的應用和推廣，如橋殼熱沖壓成型工藝在生產中的應用和產品質量控制。鋼板料沖壓焊接式橋殼具有質量小，制造簡單，材料利用率高，抗沖擊性能好，成本低以及適合大批量生產等優點。它在輕型轎車上得到廣泛應用[1]。目前，我國實際應用的橋殼多為鑄造和鋼板料沖壓焊接橋殼。由于鋼板料沖壓焊接橋殼優點顯著，使得有關橋殼的沖壓成型研究越來越重要。但是驅動橋殼在沖壓成型工藝中產生翹曲變形，使得在焊接橋殼后易導致橋殼質量下降。因此在沖壓工藝中針對橋殼片端部發生翹曲變形現象，擬增加一個對變形的橋殼片進行壓平處理的工序[2-4]。如何掌握施加力的大小和位置，成為汽車驅動橋生產企業的一個技術難題。

下面，筆者針對驅動橋橋殼翹曲現象，提出基于有限元軟件進行壓平工序分析。

1 驅動橋殼片的有限元建模

1）驅動橋殼片的三維模型 橋殼的熱成型兼具彎曲，沖壓變形特點，需要首先建立有限元模型。在UG三維軟件中建立橋殼熱沖壓成型的板料毛胚模型。在建立幾何模型時，在保持力學性能不變情況下，對橋殼片結構進行簡化：①去除對橋殼結構影響較小的圓孔；②簡化一些不等厚的結構之間的過渡曲線，盡量采用直線特征過渡，以便于中截面定位；③忽略半軸套管和橋殼裝配位置的切口特征。基于以上簡化假設基礎上，在UG軟件中建立了驅動橋橋殼片的三維模型，如圖1所示。

圖1 三維數模和上翹位置

2）驅動橋殼片有限元模型 將驅動橋殼片的數值模型以iges格式導入Ansys／Workbench中進行前處理。驅動橋橋殼材料為M510L，其楊氏模量為2.07×108Pa，泊松比為0.3。為提高計算的準確性，網格采用全六面體劃分，橋殼片的網格數35491個，節點數41891。網格劃分后有限元模型如圖2（a）所示。在驅動橋橋殼片上施加固定約束，約束的位置如圖2（b）所示。根據橋殼片的工藝裝夾約束位置，確定施加力的位置，如圖2（c）所示，施加力的大小從1000N開始，以每隔100N遞增方法進行分次進行計算，直至達到預期目標效果。計算過程中對橋殼片上的單元位移進行監測，在后處理中觀察位移變化結果。

圖2 橋殼片約束

3）有限元分析結果 經過多次計算后，得出在2286.7N時橋殼片的總變形量達到設定的3mm，此時可以認為橋殼能夠達到壓平狀態。具體的有限元計算結果如圖3所示，由圖3可知，驅動橋橋殼片變形量為3mm，達到預期目的；X方向和Z方向的變形量較小，Y方向變形量較大，這也符合實際中橋殼的調整工藝要求。

圖3 位移云圖

2 驅動橋殼的有限元分析

為了對壓平后的橋殼片進一步分析和驗證壓平結論的正確性，對未壓平焊接的橋殼、過壓平焊接的橋殼和壓平焊接的橋殼分3種情況分別進行靜力學分析。

1）驅動橋殼的有限元模型 在UG軟件中建立焊接好的驅動橋殼的三維模型，并將模型以stp格式文件導入Ansys／Workbench中。為了更準確的模擬試驗時橋殼的受力情況，建模時對驅動橋橋殼進行了以下幾點處理：①有限元分析前處理中合并或消除了一些較小的面或邊；②去除對結果影響較小的圓孔等。③在輪距相應位置和彈簧鋼座上設置參考點與相應位置耦合，邊界條件和載荷施加在參考點上。網格類型采用十節點二次四面體單元和二十結點二次六面體減縮積分單元，共劃分網格144701個，節點數254231，橋殼有限元模型網格圖如圖4所示。按照QC／T533-1999《汽車驅動橋臺架試驗方法》標準進行橋殼有限元分析。該款橋殼滿載質量為1400kg，采用的材料為M510L。分析時按照橋殼滿載載荷的2.5倍進行垂直工況下的靜力學分析。約束時一端釋放垂直于橋彎曲平面的旋轉自由度，另一端除釋放旋轉自由度外還釋放沿軸向的位移，施加載荷和約束如圖5所示。

圖4 橋殼網格圖

2）驅動橋殼有限元分析結果 經計算后，得到有限元分析結果如圖6所示。由圖6可知，未進行壓平焊接的橋殼應力達到225.2MPa，過壓平焊接的橋殼應力達到239.6MPa，壓平焊接的橋殼應力僅為197.3MPa，顯然經過壓平工序后的橋殼應力較小，提高了橋殼的使用壽命。圖6（d）為經過壓平后焊接的橋殼實物照片。將經過壓平工序后焊接的橋殼按照QC／T533-1999臺架的標準進行臺架試驗，通過標準要求的80萬次疲勞試驗，說明壓平后的橋殼能夠滿足臺架試驗及使用要求，也驗證了壓平工藝的正確性和合理性。

圖5 焊接后驅動橋橋殼加載和約束

圖6 垂直工況下不同壓平處理下的應力分布云圖

3 結 論

（1）通過建立橋殼片有限元模型，并進行了大量壓平工序的有限元分析，得出了橋殼片3mm翹曲量下的壓平力為2286.7N。

（2）通過未壓平焊接的橋、過壓平焊接的橋和壓平焊接的橋分別進行的有限元靜力學分析，得出了壓平后焊接的橋應力最小，驗證了壓平工序對提高橋的質量有一定幫助。

（3）針對沖壓成型橋殼片翹曲進行有限元分析的方法為橋殼翹曲校正工藝提供了一種新的途徑。

[1]崔波 .輕型汽車橋殼成型工藝及模具設計 [J].金屬成型工藝，1998，16（2）：13-15.

[2]楊志卿，王良模，榮如松，等.基于Hypermesh的汽車驅動橋殼有限元分析與疲勞壽命預測 [J].機械設計與制造，2012（5）：51-53.

[3]劉為，薛克敏，李萍等 .汽車驅動橋殼的有限元分析和優化 [J].汽車工程，2012，34（6）：523-527.

[4]Kim D C，Ryu I H，Kim K U.Analysis of tractor transmission and driving axle loads[J].Transactions of the ASAE，2001，44(4）：751-757.