基于ANSYS的橋殼結構分析

驅動橋是車輛的核心部件，其主要功能是承載和傳遞驅動力。驅動橋橋殼是車輛主要的承載件和傳力件，是主減速器、差速器和半軸等的裝配基體[1]。在車輛行駛過程中，橋殼承受道路和車架之間各方向的力[2，3]，沖擊載荷較大，嚴重影響橋殼的使用壽命，一旦橋殼發生斷裂，便會嚴重危及生命安全。隨著分析手段多樣化，部分研究人員將有限元方法和傳統力學相結合，為設計和優化驅動橋殼提供了理論依據[4]。KUMAR等通過有限元分析的方法對汽車前橋進行了輕量化設計，取得了顯著的研究成果。

輪式裝甲車傳動系統由前橋、中橋、后橋組成，起著連接傳動軸和傳遞動力的作用。中橋帶有分動器，前橋、中橋、后橋直接與懸掛上下臂通過銷軸連接，不僅承受來自內部齒輪的齒輪嚙合力，還承受懸掛上下臂的力，因此車橋應具有足夠的強度和剛度去保證面對不同路面狀況傳遞的反作用力和力矩。

本文基于ANSYS對前橋、中橋、后三橋的結構強度進行分析計算，以保證其結構強度滿足設計要求。

有限元模型建立

1.坐標系及計算單位

分析模型是以前橋中心線與車體縱向中心線的交點，沿豎直向下方向在底甲板外表面的投影點為坐標原點，沿車體縱向中心線指向后方向為X軸正方向，沿車體向右方向為Y軸正方向，垂直底甲板向上方向為Z軸正方向。

2.網格劃分

為保證分析模型與實體模型的一致性，對前橋、中橋、后橋橋殼及車體甲板進行實體建模。在網格劃分中，對模型進行適應性簡化處理，以符合結構的主要力學特性為前提。

在保證分析精度的前提下，對分析模型進行如下簡化假設：結構中較小的尺寸結構，如小孔、開口、倒角和小凸臺等進行簡化處理。選用ANSYSWorkbench19.0軟件建立有限元模型，根據計算機運行速度和計算精度綜合考慮，橋殼、主減殼體采用 5 m m 單元尺寸，上、下安裝板采用 3 m m 單元尺寸，車體甲板采用 2 0 m m 單元尺寸，進行有限元網格劃分，其中前橋節點5615578個，單元數3773808個；中橋節點7059307個，單元數4713076個；后橋節點6034653個，單元數4059548個，網格模型如圖1所示。

過主錐軸承傳遞到軸承座，分別分解到 Y、Z三個方向，前橋軸承座載荷值見表2，載荷位置如圖2所示。中橋軸承座載荷值見表3，載荷位置如圖3所示。后橋軸承座載荷值見表4，載荷位置如圖4所示。

3.設置材料屬性

滿足使用要求的前提下盡量采用輕量化設計。根據材料特性，本文主減殼體采用球墨鑄鐵QT450-10，橋殼采用球墨鑄鐵QT500-7，橋殼安裝板采用35鋼。各零件的材料屬性見表1。

4.施加載荷和邊界條件

按照發動機最大轉矩及變速器速比，設定主減速器總成輸入轉矩 8 3 0 0 N ? m ，結合主減速器總成主、從動錐齒輪副參數，計算齒輪副在傳動轉矩時產生的軸向與徑向力。齒輪傳動過程中產生的軸向、徑向力通備總質量24t，單橋承重8t，考慮車輛運行實際情況，根據經驗按照3.5倍載荷計算。前橋上、下支座懸掛載荷值見表5。固定約束施加在殼體與車體連接表面上，前橋施加約束如圖5所示。

中橋上、下支座懸掛載荷值見表6，中橋施加約束

如圖6所示。

后橋上、下支座懸掛載荷值見表7，后橋施加約束如圖7所示。

計算結果

1.前橋

（1）正轉工況前橋正轉工況下，橋殼殼體應力分布云圖如圖8所示。橋殼殼體最大應力出現在右前方靠近車首上臂安裝座附近的與安裝板接觸的面邊緣，最大應力值為 ，未超過材料屈服極限（QT500-7屈服極限為320MPa）。

前橋正轉工況下，橋殼殼體變形分布云圖如圖9所示。最大變形出現在左側下臂車首方向安裝支座的安裝面上，最大變形量為 0 . 6 6 m m。

（2）反轉工況前橋反轉工況下，橋殼殼體應力分布云圖，如圖10所示。橋殼殼體最大應力出現在軸承座安裝銷軸附近，最大應力值為 1 7 1 . 3 2 M P a ，未超過材料屈服極限。

前橋反轉工況下，橋殼殼體變形分布云圖，如圖11所示。最大變形出現在左側下臂車首方向安裝支座的安裝面上，最大變形量為 ? 0 . 6 2 m m 。

2.中橋

（1）正轉工況中橋正轉工況下，橋殼殼體應力分布云圖如圖12所示。橋殼殼體最大應力出現在左前方靠近車首上臂安裝座附近的與安裝板接觸的面邊緣，最大應力值為 2 2 1 . 6 8 M P a ，未超過材料屈服極限。

中橋正轉工況下，橋殼殼體變形分布云如圖13所示。最大變形出現在左側下臂車首方向安裝支座的安裝面上，最大變形量為 0 . 8 0 m m 。

中橋反轉工況下，橋殼殼體應力分布云圖如圖14所示。橋殼殼體最大應力出現在左前方靠近車首上臂安裝座附近的與安裝板接觸的面邊緣，最大應力值為 ，未超過材料屈服極限。

（2）反轉工況中橋反轉工況下，橋殼殼體變形分布云圖如圖15所示。最大變形出現在右側下臂車首方向安裝支座的安裝面上，最大變形量為 1 0 . 6 5 m m 0

3.后橋

（1）正轉工況后橋正轉工況下，橋殼殼體應力分布云圖如圖16所示。

橋殼殼體最大應力出現在右前方靠近車首上臂安裝座附近的與安裝板接觸的面邊緣，最大應力值為2 2 6 . 9 6 M P a ，未超過材料屈服極限。

后橋正轉工況下，橋殼殼體變形分布云圖如圖17所示。最大變形出現在右側下臂車首方向安裝支座的安裝面上，最大變形量為 0 . 9 0 m m 0

（2）反轉工況后橋反轉工況下，橋殼殼體應力分布云圖如圖18所示。橋殼殼體最大應力出現在左前方靠近車首上臂安裝座附近的與安裝板接觸的面邊緣，最大應力值為 1 8 2 . 6 0 M P a ，未超過材料屈服極限。

后橋反轉工況下，橋殼殼體最大變形出現在右側下臂車首方向安裝支座的安裝面上，最大變形量為0 . 7 5 m m 。

結語

為滿足某輪式裝甲車橋殼性能要求，通過多輪仿真技術和優化設計，最終完成橋殼設計，經有限元分析驗證達到性能要求。以前橋為例，先后經過七輪結構設計，最大應力從 降到226.96MPa；單橋質量從352.4kg降到 2 6 8 . 8 k g 。對前、中、后橋橋殼在正、反轉工況下的計算結果見表8。

由分析結果可得出結論：兩種工況下，前、中、后橋橋殼最大應力值為 2 2 6 . 9 6 M P a ，位于右前方靠近車首上臂安裝座附近的與安裝板接觸的面邊緣，不超過QT500-7材料屈服強度。目前該橋已批量裝車，前、中、后橋均達到設計要求。

參考文獻：

[1]劉艷萍，林方軍，王海龍，等.基于Abaqus的35T驅動橋殼總成優化設計[J].機械傳動，2022，46（5）：167-172.

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[3]呂棟騰.一種汽車驅動橋總成試驗臺的設計[J].內燃機與配件，2021（23）：84-85.

[4]董二婷，白寧山.基于ANSYSWorkbench載貨汽車驅動橋殼的靜力學分析[J].河南機電高等?？茖W校學報，2017，25（1）：5-10.

[5]KUMARGS，KUMARASWAMIDHASLA.Design Optimization Focused on Failures DuringDevelopmentalTestingoftheFabricatedRear-axleHousing[J].EngineeringFailure Analysis，2021，120：104999.AUT01950