基于HyperMesh 的某支承橋橋殼優化設計

馮江峰，王曉磊，王敏，成華東

（1.陜西漢德車橋有限公司產品開發部，陜西 西安 710200；2.陜西漢德車橋有限公司質量管理部，陜西 西安 710200；3.陜西漢德車橋有限公司研究所，陜西 西安 710200；4.陜西漢德車橋有限公司營銷中心，陜西 西安 710200）

前言

隨著我國經濟快速增長，重型汽車行業發展迅速，橋總成作為汽車的重要組成部分，其可靠性直接關系到整車性能。為縮短開發周期，驗證產品可靠性，通常通過相關試驗進行探測檢驗。

某支承橋橋殼總成在垂直彎曲疲勞試驗中，橋殼發生開裂現象，如下圖1、2 所示，為了快速查找原因，解決問題，按期完成產品開發，利用有限元分析手段對該橋殼總成按照垂向和制動工況進行模擬分析，準確快速的找到橋殼開裂處應力的大小，為后續優化設計提供參考，徹底解決試驗過程中橋殼開裂問題。

圖1 橋殼開裂

圖2 橋殼開裂

1 失效模式分析

重型汽車用鑄造橋殼主要由于承載大，工況惡劣，以及鑄造工藝的影響，存在著一些失效模式。該橋殼為砂型鑄造工藝，從斷裂照片中看，斷裂源位置是在橋殼出砂孔處，最終導致橋殼側面開裂；橋殼側面存在出砂孔，在橋殼承受垂向載荷的時候，該孔位于拉應力區，造成應力集中；但從橋殼側面截面分析，橋殼截面鑄造厚度不均勻，和理論設計有差異，容易引起應力集中。最終通過有限元分析合理優化結構，降低應力集中，提高橋殼的強度，滿足試驗要求。

2 橋殼結構優化方案

通過對現結構橋殼建模分析，根據分析結果并結合橋殼失效模式對其結構進行CAE 優化設計，通過結構優化進而降低應力集中部位處的應力，提高橋殼強度和可靠性，結構優化對比見圖3 和圖4。改后結構側板壁厚增加，橋殼出砂孔變小，同時在橋殼側面上增加了加強筋，降低橋殼應力，提高橋殼的疲勞強度和壽命。

圖3 改前結構

圖4 改后結構

3 橋殼有限元計算分析

3.1 有限元模型建立

有限元模型基于Proe 三維幾何模型建立，基于Hyper Mesh 進行網格劃分。有限元模型采用車橋前進坐標系， X軸指向車輛前進方向，Y 軸指向前進方向的左側，Z 軸豎直向上，采用mm，s，t 有限元常用單位制，模型采用四面體單元劃分實體網格。

該橋殼為鑄造橋殼，材料QT450，其屈服強度為310MPa，彈性模量147GPa，泊松比為0.25，密度為7300kg/m3，得出如圖5 所示的橋殼結構有限元分析模型。

圖5 橋殼結構有限元模型

3.2 計算及分析

3.2.1 有限元計算

為了準確的分析出橋殼開裂的原因，分別對改前和改后結構基于HyperMesh 進行有限元計算，該橋殼的額定載荷為11.5 噸，垂向最大載荷考慮額定載荷的2.5 倍，輪胎半徑478mm，整橋制動力矩為40000N·m；分析時，考慮垂向和制動兩種工況，各個工況下分別施加載荷進行分析計算。

模型中，采用共用結點、RBE2 單元等方式模擬各部件之間的連接關系；利用RBE2、RBE3 等單元，在模型上定義約束、施加載荷，提交有限元求解器，進行線性靜力計算，得到設計工況下的應力云圖結果見圖6 和圖7。

圖6 改前結構

圖7 改后結構

3.2.2 計算結果分析

通過對橋殼建模計算可知，改進后的橋殼應力較改前橋殼的最大應力大幅降低，出砂孔處和橋殼側面應力分別降低10.1%和19.8%，在橋殼材料的許用強度范圍內，滿足材料使用強度要求；采用改后結構，通過了橋殼疲勞臺架試驗，說明改進效果明顯。

表1

4 結論

基于HyperMesh 的有限元分析方法，對某鑄造橋殼進行建模分析，對改前結構和改后結構進行分析對比，快速找出橋殼開裂的原因。該案例中，橋殼的結構和受力情況簡單，但是結構不規則，運用常規理論很難比較準確的計算出結果，而通過有限元分析方法，只需要確定約束點和受力點，就可以方便的得到各個位置的應力。在該案例中，結合使用工況，通過結構受力分析對比，大大提高了分析問題的準確性和優化改進的效率，值得大家參考和借鑒。