本文介紹了應(yīng)用UG/NX軟件對汽車驅(qū)動橋殼進行參數(shù)化設(shè)計的方法，并對某輕型貨車建立了其驅(qū)動橋殼的動力學(xué)模型。在考察其變形、強度和剛度的基礎(chǔ)上，對影響橋殼強度和剛度的因素進行了設(shè)計研究，并進行了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。和傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，這種方法提高了精度和效率。

　　1.前言

　　車輛驅(qū)動橋殼的功用是支承并保護主減速器、差速器和半軸等，使左右驅(qū)動車輪的軸向相對位置固定;同從動橋一起支承車架及其上的各總成重量;汽車行駛時，承受由車輪傳來的路面反作用力和力矩，并經(jīng)懸架傳給車架。

　　驅(qū)動橋殼應(yīng)有足夠的強度和剛度，質(zhì)量小，并便于主減速器的拆裝和調(diào)整。由于橋殼的尺寸和質(zhì)量比較大，制造較困難，故其結(jié)構(gòu)型式在滿足使用要求的前提下，要盡可能便于制造。

　　驅(qū)動橋殼可分為整體式橋殼和分段式橋殼兩類。整體式橋殼具有較大的強度和剛度，且便于主減速器的裝配、調(diào)整和維修，因此普遍應(yīng)用于各類汽車上。

　　目前，車輛驅(qū)動橋殼的設(shè)計大多還是圖解法，這種設(shè)計計算量大且很復(fù)雜，精度不高。應(yīng)用計算機的可視化技術(shù)和參數(shù)化造型和建模能力，在車輛的設(shè)計階段進行三維實體建模，并利用有限元分析方法進行滿載荷靜力學(xué)分析，2.5倍滿載軸荷下的垂直彎曲強度和剛度計算，并進行模態(tài)分析和參數(shù)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化。從而提高車輛驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平，減少實際試驗研究費用和時間，提高設(shè)計效率。

　　2.UG軟件簡介及其結(jié)構(gòu)分析方法

　　Unigraphics(UG) CAD/CAM/CAE系統(tǒng)提供了一個基于過程的產(chǎn)品設(shè)計環(huán)境，使產(chǎn)品開發(fā)從設(shè)計到加工真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成，從而優(yōu)化了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計與制造。而且，在設(shè)計過程中可進行有限元分析、機構(gòu)運動分析、動力學(xué)分析和仿真模擬，提高設(shè)計的可靠性。

　　通過在實踐中運用UG軟件，作者總結(jié)了一套結(jié)構(gòu)分析方法和分析步驟：

　　(1)參數(shù)化建模：包括建立構(gòu)件的實體模型，建立設(shè)計變量，并施加約束和載荷等;

　　(2)滿載荷靜力學(xué)分析：確定8mm橋殼每米輪距變形量和最大許可應(yīng)力值;

　　(3)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析：確定不同設(shè)計變量下的結(jié)構(gòu)固有頻率及振型，并與試驗值比較;

　　(4)參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計：在指定優(yōu)化目標(biāo)、定義約束和定義變量之后，計算出最優(yōu)結(jié)果。

　　3.有限元分析模型的建立

　　對產(chǎn)品進行參數(shù)化建模，可以用參數(shù)建立起零件內(nèi)各特征之間的相互關(guān)系。同時，通過設(shè)計時設(shè)定的關(guān)聯(lián)參數(shù)，實現(xiàn)相關(guān)部件的關(guān)聯(lián)改變，可以有效地減少設(shè)計改變的時間及成本，并維護設(shè)計的完整性。設(shè)計軟件采用UG/NX，基于自頂向下(Top-Down)原則對產(chǎn)品進行設(shè)計，根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)和UG/WAVE技術(shù)建立起零部件之間的幾何和位置的相關(guān)性。

　　建立好的參數(shù)化模型如下：

　　圖1 參數(shù)化模型

　　由于部件三維模型中的細節(jié)將影響整個結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格分布，增加網(wǎng)格的數(shù)量，使模型過于復(fù)雜。因此，對三維模型去掉那些對分析影響不大的特征(如倒角、圓角等)和一些小孔。

　　采用UG/Scenario for structure進行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時選用四面體10節(jié)點單元(四面體10節(jié)點單元具有較高的剛度及計算精度)，全局單元尺寸大小為18.3，進行網(wǎng)格自動劃分，建立起橋殼有限元網(wǎng)格模型，共有63218個節(jié)點，32293個單元。

　　圖2 有限元模型

　　4.橋殼結(jié)構(gòu)有限元分析

　　4.1 有限元分析方案

　　后橋是汽車中的重要部件，它承受著來自路面和懸架之間的一切力和力矩，是汽車中工作條件最惡劣的總成之一，如果設(shè)計不當(dāng)會造成嚴重的后果。為保證后橋設(shè)計的可行性和工作的可靠性，在設(shè)計過程中必須對其應(yīng)力分布、變形等進行計算和校核。

　　進行分析、評估和校核的項目如下：

　　(1)后橋殼垂直彎曲強度和剛度計算

　　(2)后橋總成模態(tài)分析，計算后橋殼總成的固有頻率及振型

　　橋殼的相關(guān)數(shù)據(jù)：驅(qū)動橋滿載后軸重為5.5T，簧距880mm，輪距1586mm，板簧座上表面面積7079mm2，面載荷為材料09SiVL-8的彈性模量為 5Mpa，泊松比為0.3，材料密度為7850kg/m ，根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，垂向載荷均取為橋殼滿載負荷的2.5倍即為9.5MPa。材料許可應(yīng)力[σ]s=510~610 MPa。

　　試驗數(shù)據(jù)： 滿載荷最大位移1.5mm。

　　4.2 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

　　計算橋殼的垂直彎曲剛度和強度的方法是將后橋兩端固定，在彈簧座處施加載荷，將橋殼兩端6個自由度全部約束，在彈簧座處施加規(guī)定的載荷。當(dāng)承受滿載軸荷時，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，橋殼最大變形量不超過1.5mm/m，承受2.5倍滿載軸荷時，橋殼不能出現(xiàn)斷裂和塑性變形。

　　根據(jù)建立的有限元分析模型，通過PE solve解算器，計算了部件在2.5倍滿載荷條件下的位移和應(yīng)力。

　　圖3 2.5倍滿載荷條件下的位移

　　圖4 2.5倍滿載荷條件下的應(yīng)力

　　其結(jié)果如下：最大位移為1.561mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在半軸套管約束處，為659.9Mpa，每米輪距的變形量為1.561mm/1.586m=0.98mm/m，小于規(guī)定的1.5mm/m，符合國家相關(guān)規(guī)定。

　　從圖4可以看出，在橋殼方形截面與牙包過渡的地方，其應(yīng)力為280MPa左右，遠小于其許用應(yīng)力[σ]s。

　　綜上分析，8mm厚度的橋殼本體是完全符合橋殼結(jié)構(gòu)強度要求的。

　　4.3 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

　　改變橋殼本體厚度做模態(tài)分析，結(jié)果如表1所示。

　　表1 不同厚度、模態(tài)橋殼的頻率

　　從上表可以看出，在厚度降低時，橋殼的固有頻率是在不斷地增加的，說明降低橋殼的厚度可以提高其低階固有頻率，從而提高橋殼剛度。

　　與試驗結(jié)果(一階頻率149Hz)比較，其一階頻率接近試驗結(jié)果，橋殼本體厚度為8mm的驅(qū)動橋殼的一階頻率與試驗絕對誤差為：

　　(149-132.2)/149×100%=11.2%

　　小于經(jīng)驗值20%，說明模型的可靠性是有保證的。

　　5.橋殼優(yōu)化設(shè)計

　　以重量最小化為定義目標(biāo)，定義約束為許可應(yīng)力。把橋殼的厚度定為設(shè)計變量，其最大值定為8mm，最小值定為6mm。表2為經(jīng)過20次迭代后的結(jié)果[4，5]。

　　圖5 迭代質(zhì)量變化曲線

　　圖6 迭代橋殼厚度變化曲線

　　由表2和圖6可以看出經(jīng)過3次迭代，得到一個最優(yōu)點，在7mm時橋殼的質(zhì)量時50.72kg，質(zhì)量比原來減輕了4.2kg。在同時滿足強度和剛度要求的情況下，從而實現(xiàn)了輕量化驅(qū)動橋殼的生產(chǎn)。

　　表2優(yōu)化分析結(jié)果

　　6.結(jié)論

　　利用UG軟件建立了驅(qū)動橋殼的3D參數(shù)化模型，并利用有限元分析方法進行了2.5倍滿載軸荷下的垂直彎曲強度和剛度計算;并進行了模態(tài)分析和參數(shù)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化。計算結(jié)果表明，該型驅(qū)動橋殼具有足夠的強度和剛度，這為該型驅(qū)動橋殼的輕量化設(shè)計提供了部分依據(jù)，有很大的實踐指導(dǎo)意義。

　　經(jīng)過優(yōu)化分析，使橋殼本體的厚度由8mm降至7mm，質(zhì)量減少了4.2kg。

　　經(jīng)查閱相關(guān)資料，改變牙包與方形截面過渡處的半徑也是一種有效的優(yōu)化方案。

　　實踐表明，使用CAD/CAE方法設(shè)計驅(qū)動橋殼，具有耗時少，效率高，耗資少，變型方便，計算結(jié)果全面詳盡，勞動強度低等傳統(tǒng)設(shè)計方法不具備的優(yōu)點。可以預(yù)見，如果CAD/CAE方法在我國的汽車工業(yè)企業(yè)中得到推廣，則必將對我國的汽車工業(yè)產(chǎn)生劃時代的影響。