CAE于重卡沖焊橋殼設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
1、概述
驅(qū)動(dòng)橋是重卡上的重要總成之一，其橋殼總成按照生產(chǎn)工藝的不同，主要分為鑄造橋殼、鍛造橋殼、無(wú)縫鋼管冷漲成形橋殼和沖壓焊接橋殼等。其中板材沖壓焊接橋殼具有重量輕、強(qiáng)度高、工藝性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外重卡公路牽引車、載貨車及輕量化自卸車等車型上廣泛應(yīng)用。
本文主要介紹使用HyperWorks仿真平臺(tái)在沖焊橋殼總成開發(fā)設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用。
2、基于HyperWorks的沖焊橋殼設(shè)計(jì)
該橋殼本體為Q460C材料沖焊件，密度為7.85×10-9t/mm3，取楊氏彈性模量為206000MPa，泊松比為0.280，屈服強(qiáng)度為460MPa，抗拉強(qiáng)度為624MPa（橋殼本體材料試樣檢測(cè)值），疲勞強(qiáng)度系數(shù)取965MPa，疲勞強(qiáng)度指數(shù)取-0.0731。
采用HyperWorks11.0進(jìn)行沖焊橋殼總成分析，分析流程為使用OptiStruct對(duì)橋殼本體進(jìn)行尺寸優(yōu)化、使用HyperForm對(duì)橋殼半殼進(jìn)行RADIOSSOneStep的沖壓成形可行性分析、使用OptiStruct對(duì)橋殼總成做靜剛度強(qiáng)度分析、最后使用RADIOSS對(duì)橋殼總成進(jìn)行疲勞壽命分析。
（1）基于OptiStruct的尺寸優(yōu)化分析
尺寸優(yōu)化是最經(jīng)典的優(yōu)化技術(shù)，一般也叫參數(shù)優(yōu)化技術(shù)（改變模型參數(shù)值，網(wǎng)格模型保持不變），可以對(duì)有限元模型的各種參數(shù)，如板件厚度、桿梁截面尺寸、材料特性、彈性元件剛度等進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計(jì)階段的不同，可分為用于詳細(xì)設(shè)計(jì)的尺寸優(yōu)化技術(shù)和用于概念設(shè)計(jì)的自由尺寸優(yōu)化兩種類型。
該橋殼總成使用詳細(xì)設(shè)計(jì)的尺寸優(yōu)化，分析模型劃分為藍(lán)色設(shè)計(jì)空間和灰色非設(shè)計(jì)空間，其尺寸優(yōu)化有限元分析模型如圖1所示：
橋殼總成尺寸優(yōu)化問題描述如下：
目標(biāo)函數(shù)：橋殼本體板厚最小化；
約束函數(shù)：橋殼本體的疲勞壽命值不低于80萬(wàn)次；
設(shè)計(jì)變量：藍(lán)色區(qū)域的單元厚度（初始值16mm，下限10mm，上限20mm）；
定義離散設(shè)計(jì)變量起始值為10.0，終止值為20.0，變量每次增加0.2；
圖1橋殼總成尺寸優(yōu)化分析模型
經(jīng)過OptiStruct求解器4輪的迭代求解，目標(biāo)函數(shù)橋殼本體板厚達(dá)到最小化13.4mm并且優(yōu)化收斂，其尺寸優(yōu)化前后橋殼本體板厚如圖2所示：
圖2尺寸優(yōu)化前后橋殼本體板厚
尺寸優(yōu)化前后板殼單元橋殼本體的最低壽命值分別為5.53E+007次和1.19E+006次（此疲勞壽命值僅作為尺寸優(yōu)化前后對(duì)比用）。其壽命云圖如3a和3b所示：
圖3a尺寸優(yōu)化前板殼單元橋殼本體壽命云圖
圖3b尺寸優(yōu)化后板殼單元橋殼本體壽命云圖
根據(jù)尺寸優(yōu)化結(jié)果，綜合考慮板材厚度的公差帶、材料自身組織成分的離散性、沖壓成形過程的材料變薄率及橋殼疲勞壽命離散性強(qiáng)等特點(diǎn)，為了較好的保證橋殼總成的垂直彎曲疲勞壽命，因此取橋殼本體的設(shè)計(jì)厚度為14.0mm。
（2）基于HyperForm的橋殼沖壓成形可行性分析
HyperForm是一個(gè)獨(dú)特的基于有限元法的金屬板材成形模擬軟件解決方案。它使用自定義的幾何處理和HyperMesh的網(wǎng)格生成功能，并集成了快速一步法求解和增量法求解形成整體解決方案。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，HyperForm為工程師提供快速的，有價(jià)值的，可靠的信息，縮短了產(chǎn)品整體開發(fā)周期。HyperForm一步法和增量分析法與HyperMorph和HyperStudy集成，使用高度自動(dòng)化的方法將成形工具和工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化結(jié)合。具有以下優(yōu)勢(shì)：
在產(chǎn)品開發(fā)階段引入成形可行性標(biāo)準(zhǔn)分析，能夠顯著改善產(chǎn)品性能；
精確的預(yù)測(cè)毛坯尺寸以提高材料的利用率；
提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的工具來修改和驗(yàn)證多個(gè)工藝流程；
在板材切割前提供褶皺，開裂及布局的可視化；
對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的補(bǔ)充提供強(qiáng)大的幾何工具；
對(duì)沖壓過程提供自動(dòng)化優(yōu)化；
徹底縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期；
該橋殼總成半殼使用HyperForm的RADIOSSOneStep模塊進(jìn)行沖壓成形可行性仿真分析。由于Q460C的相關(guān)沖壓分析材料參數(shù)不完善，因此選用軟件自帶的材料庫(kù)中屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與Q460C相當(dāng)?shù)腟AE_J2340_CR_490X材料，由分析結(jié)果可知沖壓過程的壓力需要達(dá)到2250噸，因此沖壓設(shè)備選用的是3000噸級(jí)的壓機(jī)。
沖壓半殼的沖壓可行性成形極限圖如圖4所示：
其沖壓成形變薄率與主應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示：
圖4橋殼沖壓半殼成形極限圖
圖5橋殼沖壓半殼變薄率與主應(yīng)變?cè)茍D
結(jié)合半殼的成形極限圖、變薄率及主應(yīng)變?cè)茍D分析，在變薄率大于20%的區(qū)域，從沖壓結(jié)構(gòu)上來講其沖壓成形效率較低或無(wú)法有效成形。而主應(yīng)變大小用來幫助理解材料成形過程中的拉伸情況，主應(yīng)變最大的區(qū)域若與變薄率最大的區(qū)域重疊一致，則認(rèn)為沖壓過程存在一定的開裂風(fēng)險(xiǎn)。首批樣件在沖壓調(diào)試過程中，出現(xiàn)了一定比例的開裂，其開裂位置如圖6所示：
圖6橋殼沖壓半殼樣件開裂
因?yàn)闃蛹拈_裂位置，與沖壓分析半殼變薄率和主應(yīng)變最大的位置較為一致，可見HyperForm的一步法沖壓分析對(duì)樣件沖壓成形可行性具有一定的預(yù)見性，可提前引起相關(guān)沖壓工藝人員在新產(chǎn)品試制過程中的注意，指導(dǎo)設(shè)計(jì)可靠的沖壓工藝。 經(jīng)過相關(guān)沖壓設(shè)計(jì)人員的分析和研究，對(duì)橋殼的沖壓模具和沖壓工藝進(jìn)行了調(diào)整，第二批沖壓半殼樣件試制成功，通過焊接和機(jī)加工保證了橋殼總成的樣件需求。
（3）基于OptiStruct的橋殼總成靜剛度強(qiáng)度分析
H8A橋殼總成各零件材料及參數(shù)如表1所示：
表1橋殼總成各零件材料及參數(shù)
a、橋殼總成靜剛度分析
橋殼總成幾何參數(shù)：輪距1818mm，額定軸荷13T，載荷和約束按照QC/T533-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》進(jìn)行設(shè)置。其中后橋殼總成位移云圖如圖7所示：
據(jù)分析結(jié)果得：
中橋殼總成垂直彎曲剛性為1.994/1.818≈1.10mm/m＜1.5mm/m；
后橋殼總成垂直彎曲剛性為1.973/1.818≈1.09mm/m＜1.5mm/m；
即滿足QC/T534-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)》中驅(qū)動(dòng)橋垂直彎曲剛性試驗(yàn)的規(guī)定；
圖7H8A橋殼總成位移云圖
b、橋殼靜強(qiáng)度分析
橋殼總成在臺(tái)架試驗(yàn)過程中承受垂向脈動(dòng)載荷，屬于單向彎曲疲勞，疲勞核心一般發(fā)生在受拉側(cè)的表面。做橋殼2D板殼單元和3D實(shí)體單元表面皮膚單元的靜強(qiáng)度對(duì)比分析，其受拉應(yīng)力分布如圖8所示：
圖8橋殼2D和3D拉應(yīng)力對(duì)比
由分析可知2D板殼單元的橋殼本體最大拉應(yīng)力為391MPa，3D實(shí)體單元橋殼本體表面最大拉應(yīng)力為385MPa，應(yīng)力值相對(duì)增大1.6%，拉應(yīng)力的分布基本一致，因此用2D板殼單元有限元模型做疲勞壽命分析，既能夠保證一定的求解精度又能夠降低對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求且節(jié)約機(jī)時(shí)（即計(jì)算成本）。
（4）基于RADIOSS的橋殼疲勞壽命分析
橋殼總成的載荷和邊界條件按QC/T533-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》進(jìn)行設(shè)置，其中最小載荷為3.25噸，最大載荷32.5噸，按正弦曲線加載，加載頻率5Hz，疲勞分析模型如圖9所示：
圖9橋殼疲勞分析模型及加載曲線
考慮疲勞強(qiáng)度縮減系數(shù)等因素，該沖焊橋殼的疲勞壽命分析結(jié)果為104萬(wàn)次至135萬(wàn)次，滿足設(shè)計(jì)要求不小于80萬(wàn)次。其中104萬(wàn)次的分析結(jié)果抗拉強(qiáng)度取值624MPa（抽樣檢測(cè)值），135萬(wàn)次的分析結(jié)果抗拉強(qiáng)度取值720MPa（理想最大值），其余參數(shù)均一致。疲勞壽命云圖如圖10所示：
圖10橋殼疲勞壽命云圖
3、新產(chǎn)品試制及臺(tái)架試驗(yàn)分析
新產(chǎn)品試制過程分為樣件裝配驗(yàn)證和零部件及分總成臺(tái)架試驗(yàn)，通過裝配驗(yàn)證和臺(tái)架試驗(yàn)過程可以發(fā)現(xiàn)一些問題，有針對(duì)性的解決后可再次驗(yàn)證樣件，沒有問題后可進(jìn)入整車路試階段。通過3～5輛份的整車路試，又暴露出樣件在實(shí)際使用工況中存在的不足，針對(duì)性的改進(jìn)再驗(yàn)證，順利進(jìn)入小批量試生產(chǎn)局部投入市場(chǎng)使用，有效進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量追蹤，統(tǒng)計(jì)新產(chǎn)品的F100值等（每100輛整車在3包期內(nèi)出現(xiàn)的故障頻次），最終標(biāo)定新產(chǎn)品是否能夠滿足預(yù)期設(shè)計(jì)使用目標(biāo)值。
（1）裝配驗(yàn)證
裝配驗(yàn)證的H8A雙聯(lián)橋總成及其匹配公路牽引車型如圖11所示：
圖11H8A雙聯(lián)橋總成及其匹配公路牽引車型
（2）臺(tái)架試驗(yàn)分析
H8A雙聯(lián)橋3根橋殼總成送中國(guó)汽車工程研究院做垂直彎曲疲勞臺(tái)架試驗(yàn)，分別編號(hào)1#（后橋殼）、2#（中橋殼）、3#（中橋殼）進(jìn)行試驗(yàn)記錄。其中一根中橋殼總成臺(tái)架試驗(yàn)情況如圖12所示：
圖12H8A中橋殼總成臺(tái)架試驗(yàn)
圖13臺(tái)架試驗(yàn)2#橋殼總成開裂位置
臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果為1#橋殼總成120萬(wàn)次無(wú)斷裂，2#橋殼總成83萬(wàn)次發(fā)生斷裂，3#橋殼nn總成120萬(wàn)次無(wú)斷裂?？傮w而言，3根橋殼總成均通過了不小于80萬(wàn)次的設(shè)計(jì)要求。其中2#橋殼總成臺(tái)架試驗(yàn)開裂情況如圖13所示：
通過臺(tái)架試驗(yàn)分析與有限元仿真分析相結(jié)合的方式，積累一定的仿真分析數(shù)據(jù)和臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，排除實(shí)際臺(tái)試過程疏漏造成的數(shù)據(jù)波動(dòng)性及降低材料、加工制造等過程造成的試驗(yàn)結(jié)果離散性，修正仿真分析相關(guān)參數(shù)，在以后的同類型新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程中可更合理有效的充分發(fā)揮疲勞仿真分析的作用。當(dāng)然，我們最終應(yīng)該明確的是，疲勞壽命仿真分析不是為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)品的使用壽命（實(shí)際我們也無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)任何產(chǎn)品的使用壽命），而是徹底解決產(chǎn)品在使用過程中出現(xiàn)的早期疲勞失效問題。
4、結(jié)論
本文通過HyperWorks仿真平臺(tái)的應(yīng)用，在新產(chǎn)品H8A單級(jí)減速雙聯(lián)驅(qū)動(dòng)橋開發(fā)過程中，對(duì)橋殼進(jìn)行了一系列的優(yōu)化分析計(jì)算最終得到了令人滿意的設(shè)計(jì)。整個(gè)分析過程數(shù)據(jù)鏈傳遞流暢，為重卡沖焊橋殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)校核提供了一個(gè)較為全面的新方法。
結(jié)合橋殼臺(tái)架試驗(yàn)和疲勞壽命分析，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低了產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，有效縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，由此可見HyperWorks在工程應(yīng)用中對(duì)于輕量化有限壽命的產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有實(shí)際運(yùn)用意義。
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