基于Ansys／Workbench的冲压驱动桥桥壳工艺分析

（安徽农业大学工学院，安徽 合肥230036）

近年国内很多研究机构和生产厂家就桥壳生产工艺进行了很多研究，主要的研究方向在于桥壳新的生产工艺的应用和推广，如桥壳热冲压成型工艺在生产中的应用和产品质量控制。钢板料冲压焊接式桥壳具有质量小，制造简单，材料利用率高，抗冲击性能好，成本低以及适合大批量生产等优点。它在轻型轿车上得到广泛应用[1]。目前，我国实际应用的桥壳多为铸造和钢板料冲压焊接桥壳。由于钢板料冲压焊接桥壳优点显著，使得有关桥壳的冲压成型研究越来越重要。但是驱动桥壳在冲压成型工艺中产生翘曲变形，使得在焊接桥壳后易导致桥壳质量下降。因此在冲压工艺中针对桥壳片端部发生翘曲变形现象，拟增加一个对变形的桥壳片进行压平处理的工序[2-4]。如何掌握施加力的大小和位置，成为汽车驱动桥生产企业的一个技术难题。

下面，笔者针对驱动桥桥壳翘曲现象，提出基于有限元软件进行压平工序分析。

1 驱动桥壳片的有限元建模

1）驱动桥壳片的三维模型 桥壳的热成型兼具弯曲，冲压变形特点，需要首先建立有限元模型。在UG三维软件中建立桥壳热冲压成型的板料毛胚模型。在建立几何模型时，在保持力学性能不变情况下，对桥壳片结构进行简化：①去除对桥壳结构影响较小的圆孔；②简化一些不等厚的结构之间的过渡曲线，尽量采用直线特征过渡，以便于中截面定位；③忽略半轴套管和桥壳装配位置的切口特征。基于以上简化假设基础上，在UG软件中建立了驱动桥桥壳片的三维模型，如图1所示。

图1 三维数模和上翘位置

2）驱动桥壳片有限元模型 将驱动桥壳片的数值模型以iges格式导入Ansys／Workbench中进行前处理。驱动桥桥壳材料为M510L，其杨氏模量为2.07×108Pa，泊松比为0.3。为提高计算的准确性，网格采用全六面体划分，桥壳片的网格数35491个，节点数41891。网格划分后有限元模型如图2（a）所示。在驱动桥桥壳片上施加固定约束，约束的位置如图2（b）所示。根据桥壳片的工艺装夹约束位置，确定施加力的位置，如图2（c）所示，施加力的大小从1000N开始，以每隔100N递增方法进行分次进行计算，直至达到预期目标效果。计算过程中对桥壳片上的单元位移进行监测，在后处理中观察位移变化结果。

图2 桥壳片约束

3）有限元分析结果 经过多次计算后，得出在2286.7N时桥壳片的总变形量达到设定的3mm，此时可以认为桥壳能够达到压平状态。具体的有限元计算结果如图3所示，由图3可知，驱动桥桥壳片变形量为3mm，达到预期目的；X方向和Z方向的变形量较小，Y方向变形量较大，这也符合实际中桥壳的调整工艺要求。

图3 位移云图

2 驱动桥壳的有限元分析

为了对压平后的桥壳片进一步分析和验证压平结论的正确性，对未压平焊接的桥壳、过压平焊接的桥壳和压平焊接的桥壳分3种情况分别进行静力学分析。

1）驱动桥壳的有限元模型 在UG软件中建立焊接好的驱动桥壳的三维模型，并将模型以stp格式文件导入Ansys／Workbench中。为了更准确的模拟试验时桥壳的受力情况，建模时对驱动桥桥壳进行了以下几点处理：①有限元分析前处理中合并或消除了一些较小的面或边；②去除对结果影响较小的圆孔等。③在轮距相应位置和弹簧钢座上设置参考点与相应位置耦合，边界条件和载荷施加在参考点上。网格类型采用十节点二次四面体单元和二十结点二次六面体减缩积分单元，共划分网格144701个，节点数254231，桥壳有限元模型网格图如图4所示。按照QC／T533-1999《汽车驱动桥台架试验方法》标准进行桥壳有限元分析。该款桥壳满载质量为1400kg，采用的材料为M510L。分析时按照桥壳满载载荷的2.5倍进行垂直工况下的静力学分析。约束时一端释放垂直于桥弯曲平面的旋转自由度，另一端除释放旋转自由度外还释放沿轴向的位移，施加载荷和约束如图5所示。

图4 桥壳网格图

2）驱动桥壳有限元分析结果 经计算后，得到有限元分析结果如图6所示。由图6可知，未进行压平焊接的桥壳应力达到225.2MPa，过压平焊接的桥壳应力达到239.6MPa，压平焊接的桥壳应力仅为197.3MPa，显然经过压平工序后的桥壳应力较小，提高了桥壳的使用寿命。图6（d）为经过压平后焊接的桥壳实物照片。将经过压平工序后焊接的桥壳按照QC／T533-1999台架的标准进行台架试验，通过标准要求的80万次疲劳试验，说明压平后的桥壳能够满足台架试验及使用要求，也验证了压平工艺的正确性和合理性。

图5 焊接后驱动桥桥壳加载和约束

图6 垂直工况下不同压平处理下的应力分布云图

3 结 论

（1）通过建立桥壳片有限元模型，并进行了大量压平工序的有限元分析，得出了桥壳片3mm翘曲量下的压平力为2286.7N。

（2）通过未压平焊接的桥、过压平焊接的桥和压平焊接的桥分别进行的有限元静力学分析，得出了压平后焊接的桥应力最小，验证了压平工序对提高桥的质量有一定帮助。

（3）针对冲压成型桥壳片翘曲进行有限元分析的方法为桥壳翘曲校正工艺提供了一种新的途径。

[1]崔波 .轻型汽车桥壳成型工艺及模具设计 [J].金属成型工艺，1998，16（2）：13-15.

[2]杨志卿，王良模，荣如松，等.基于Hypermesh的汽车驱动桥壳有限元分析与疲劳寿命预测 [J].机械设计与制造，2012（5）：51-53.

[3]刘为，薛克敏，李萍等 .汽车驱动桥壳的有限元分析和优化 [J].汽车工程，2012，34（6）：523-527.

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