CAE于重卡冲焊桥壳设计中的应用
1 概述
驱动桥是重卡上的重要总成之一，其桥壳总成按照生产工艺的不同，主要分为铸造桥壳、锻造桥壳、无缝钢管冷涨成形桥壳和冲压焊接桥壳等。其中板材冲压焊接桥壳具有重量轻、强度高、工艺性好、成本低等优点，在国内外重卡公路牵引车、载货车及轻量化自卸车等车型上广泛应用。
本文主要介绍使用HyperWorks仿真平台在冲焊桥壳总成开发设计过程中的应用。
2 基于HyperWorks的冲焊桥壳设计
该桥壳本体为Q460C材料冲焊件，密度为7.85×10-9t/mm3，取杨氏弹性模量为206000MPa，泊松比为0.280，屈服强度为460MPa，抗拉强度为624MPa（桥壳本体材料试样检测值），疲劳强度系数取965MPa，疲劳强度指数取-0.0731。
采用HyperWorks11.0进行冲焊桥壳总成分析，分析流程为使用OptiStruct对桥壳本体进行尺寸优化、使用HyperForm对桥壳半壳进行RADIOSS One Step的冲压成形可行性分析、使用OptiStruct对桥壳总成做静刚度强度分析、最后使用RADIOSS对桥壳总成进行疲劳寿命分析。
2.1 基于OptiStruct的尺寸优化分析
尺寸优化是最经典的优化技术，一般也叫参数优化技术（改变模型参数值，网格模型保持不变），可以对有限元模型的各种参数，如板件厚度、杆梁截面尺寸、材料特性、弹性元件刚度等进行优化。根据设计阶段的不同，可分为用于详细设计的尺寸优化技术和用于概念设计的自由尺寸优化两种类型。
该桥壳总成使用详细设计的尺寸优化，分析模型划分为蓝色设计空间和灰色非设计空间，其尺寸优化有限元分析模型如图1所示：
桥壳总成尺寸优化问题描述如下：
目标函数：桥壳本体板厚最小化；
约束函数：桥壳本体的疲劳寿命值不低于80万次；
设计变量：蓝色 区域的单元厚度（初始值16mm，下限10mm，上限 20mm）；
定义离散设计变量起始值为10.0，终止值为20.0，变量每次增加0.2；
图1 桥壳总成尺寸优化分析模型
经过OptiStruct求解器4轮的迭代求解，目标函数桥壳本体板厚达到最小化13.4mm并且优化收敛，其尺寸优化前后桥壳本体板厚如图2所示：
图2 尺寸优化前后桥壳本体板厚
尺寸优化前后板壳单元桥壳本体的最低寿命值分别为5.53E+007次和1.19E+006次（此疲劳寿命值仅作为尺寸优化前后对比用）。其寿命云图如3a和3b所示：
图3a 尺寸优化前板壳单元桥壳本体寿命云图
图3b 尺寸优化后板壳单元桥壳本体寿命云图
根据尺寸优化结果，综合考虑板材厚度的公差带、材料自身组织成分的离散性、冲压成形过程的材料变薄率及桥壳疲劳寿命离散性强等特点，为了较好的保证桥壳总成的垂直弯曲疲劳寿命，因此取桥壳本体的设计厚度为14.0mm。
2.2 基于HyperForm的桥壳冲压成形可行性分析
HyperForm是一个独特的基于有限元法的金属板材成形模拟软件解决方案。它使用自定义的几何处理和HyperMesh的网格生成功能，并集成了快速一步法求解和增量法求解形成整体解决方案。在产品设计阶段，HyperForm为工程师提供快速的，有价值的，可靠的信息，缩短了产品整体开发周期。HyperForm一步法和增量分析法与HyperMorph和HyperStudy集成，使用高度自动化的方法将成形工具和工艺参数实现最优化结合。具有以下优势：
在产品开发阶段引入成形可行性标准分析，能够显著改善产品性能；
精确的预测毛坯尺寸以提高材料的利用率；
提供了一个功能强大的工具来修改和验证多个工艺流程；
在板材切割前提供褶皱，开裂及布局的可视化；
对设计参数的补充提供强大的几何工具；
对冲压过程提供自动化优化；
彻底缩短了产品的开发周期；
该桥壳总成半壳使用HyperForm的RADIOSS One Step模块进行冲压成形可行性仿真分析。由于Q460C的相关冲压分析材料参数不完善，因此选用软件自带的材料库中屈服强度和抗拉强度与Q460C相当的SAE_J2340_CR_490X材料，由分析结果可知冲压过程的压力需要达到2250吨，因此冲压设备选用的是3000吨级的压机。
冲压半壳的冲压可行性成形极限图如图4所示：
其冲压成形变薄率与主应变云图如图5所示：
图4 桥壳冲压半壳成形极限图
图5 桥壳冲压半壳变薄率与主应变云图
结合半壳的成形极限图、变薄率及主应变云图分析，在变薄率大于20%的区域，从冲压结构上来讲其冲压成形效率较低或无法有效成形。而主应变大小用来帮助理解材料成形过程中的拉伸情况，主应变最大的区域若与变薄率最大的区域重叠一致，则认为冲压过程存在一定的开裂风险。首批样件在冲压调试过程中，出现了一定比例的开裂，其开裂位置如图6所示：
图6 桥壳冲压半壳样件开裂
因为样件的开裂位置，与冲压分析半壳变薄率和主应变最大的位置较为一致，可见HyperForm的一步法冲压分析对样件冲压成形可行性具有一定的预见性，可提前引起相关冲压工艺人员在新产品试制过程中的注意，指导设计可靠的冲压工艺。经过相关冲压设计人员的分析和研究，对桥壳的冲压模具和冲压工艺进行了调整，第二批冲压半壳样件试制成功，通过焊接和机加工保证了桥壳总成的样件需求。
2.3 基于OptiStruct的桥壳总成静刚度强度分析
H8A桥壳总成各零件材料及参数如表1所示：
表1 桥壳总成各零件材料及参数
2.3.1 桥壳总成静刚度分析
桥壳总成几何参数：轮距1818mm，额定轴荷13T，载荷和约束按照QC/T533-1999《汽车驱动桥台架试验方法》进行设置。其中后桥壳总成位移云图如图7所示：
据分析结果得：
中桥壳总成垂直弯曲刚性为1.994/1.818≈1.10mm/m＜1.5mm/m；
后桥壳总成垂直弯曲刚性为1.973/1.818≈1.09mm/m＜1.5mm/m；
即满足QC/T534-1999《汽车驱动桥台架试验评价指标》中驱动桥垂直弯曲刚性试验的规定；
图7 H8A桥壳总成位移云图
2.3.2 桥壳静强度分析
桥壳总成在台架试验过程中承受垂向脉动载荷，属于单向弯曲疲劳，疲劳核心一般发生在受拉侧的表面。做桥壳2D板壳单元和3D实体单元表面皮肤单元的静强度对比分析，其受拉应力分布如图8所示：
图8 桥壳2D和3D拉应力对比
由分析可知2D板壳单元的桥壳本体最大拉应力为391MPa，3D实体单元桥壳本体表面最大拉应力为385MPa，应力值相对增大1.6%，拉应力的分布基本一致，因此用2D板壳单元有限元模型做疲劳寿命分析，既能够保证一定的求解精度又能够降低对计算机硬件的要求且节约机时（即计算成本）。
2.4 基于RADIOSS的桥壳疲劳寿命分析
桥壳总成的载荷和边界条件按QC/T533-1999《汽车驱动桥台架试验方法》进行设置，其中最小载荷为3.25吨，最大载荷32.5吨，按正弦曲线加载，加载频率5Hz，疲劳分析模型如图9所示：
图9 桥壳疲劳分析模型及加载曲线
考虑疲劳强度缩减系数等因素，该冲焊桥壳的疲劳寿命分析结果为104万次至135万次，满足设计要求不小于80万次。其中104万次的分析结果抗拉强度取值624MPa（抽样检测值），135万次的分析结果抗拉强度取值720MPa（理想最大值），其余参数均一致。疲劳寿命云图如图10所示：
图10 桥壳疲劳寿命云图
3 新产品试制及台架试验分析
新产品试制过程分为样件装配验证和零部件及分总成台架试验，通过装配验证和台架试验过程可以发现一些问题，有针对性的解决后可再次验证样件，没有问题后可进入整车路试阶段。通过3～5辆份的整车路试，又暴露出样件在实际使用工况中存在的不足，针对性的改进再验证，顺利进入小批量试生产局部投入市场使用，有效进行产品质量追踪，统计新产品的F100值等（每100辆整车在3包期内出现的故障频次），最终标定新产品是否能够满足预期设计使用目标值。
3.1 装配验证
装配验证的H8A双联桥总成及其匹配公路牵引车型如图11所示：
图11 H8A双联桥总成及其匹配公路牵引车型
3.2 台架试验分析
H8A双联桥3根桥壳总成送中国汽车工程研究院做垂直弯曲疲劳台架试验，分别编号1#（后桥壳）、2#（中桥壳）、3#（中桥壳）进行试验记录。其中一根中桥壳总成台架试验情况如图12所示：
图12 H8A中桥壳总成台架试验
图13 台架试验2#桥壳总成开裂位置
台架试验结果为1#桥壳总成120万次无断裂，2#桥壳总成83万次发生断裂，3#桥壳nn总成120万次无断裂。总体而言，3根桥壳总成均通过了不小于80万次的设计要求。其中2#桥壳总成台架试验开裂情况如图13所示：
通过台架试验分析与有限元仿真分析相结合的方式，积累一定的仿真分析数据和台架试验数据，排除实际台试过程疏漏造成的数据波动性及降低材料、加工制造等过程造成的试验结果离散性，修正仿真分析相关参数，在以后的同类型新产品开发设计过程中可更合理有效的充分发挥疲劳仿真分析的作用。当然，我们最终应该明确的是，疲劳寿命仿真分析不是为了准确预测产品的使用寿命（实际我们也无法准确预测任何产品的使用寿命），而是彻底解决产品在使用过程中出现的早期疲劳失效问题。
4 结论
本文通过HyperWorks仿真平台的应用，在新产品H8A单级减速双联驱动桥开发过程中，对桥壳进行了一系列的优化分析计算最终得到了令人满意的设计。整个分析过程数据链传递流畅，为重卡冲焊桥壳的优化设计校核提供了一个较为全面的新方法。
结合桥壳台架试验和疲劳寿命分析，提高了产品设计质量，降低了产品进入市场的风险，有效缩短了产品开发周期，由此可见HyperWorks在工程应用中对于轻量化有限寿命的产品设计具有实际运用意义。
本文转自【有限元科技】
