由于汽車后橋作為整車的一個關(guān)鍵部件，其質(zhì)量對整車的安全性能有重要的影響，因而對其進行有效的優(yōu)化設(shè)計是非常必要的。本文研究的后橋在海南路試時發(fā)現(xiàn)存在局部強度不足的情況，該橋為引進的某型車國產(chǎn)化后的后橋，通過用有限元分析方法對其進行計算分析與比較，為優(yōu)化該產(chǎn)品的設(shè)計提供依據(jù)。
2 后橋殼的有限元模型的建立
根據(jù)該車后橋結(jié)構(gòu)特點，有限元分析的重點集中于橋殼分析，即將車橋主要受力簡化成橋殼受力，該簡化計算模型基本反映出車橋的應(yīng)力集中以及局部應(yīng)力分布及水平，能滿足實際設(shè)計分析的要求。該車橋主要由后橋殼、加強板、平衡桿支架、板簧支座等組成，為鋼板焊接式，一般其強度問題點發(fā)生的部位如圖1所示。在最主要的垂直載荷工作條件下，橋內(nèi)側(cè)承受等彎矩，平直管區(qū)的名義應(yīng)力響應(yīng)最高，其中C、D、F點有彈簧座或過度圓弧產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)而成為高應(yīng)力區(qū)域。實際車輛上，平直管區(qū)還可能有減振器、平衡桿安裝支架等，向橋殼加新的作用力或因支座對橋殼產(chǎn)生約束而產(chǎn)生應(yīng)力集中，G、H點是平衡桿座板焊接位的應(yīng)力集中問題， E點處在中間相對平緩的過度部位，應(yīng)力也較高，A、B點的高應(yīng)力對應(yīng)最大側(cè)向載荷工作情況發(fā)生。
圖1 焊接橋殼常見的高應(yīng)力部位圖
采用SOLID45單元建模，對局部焊接部位進行細化處理，即直接對焊料建模，反映局部細節(jié)的模型，如圖2、3所示，模型共劃分36742個單元， 40152個節(jié)點。
圖2 焊接部位處理 圖3 后橋CAE模型（負荷及約束）
3 載荷與約束
3.1后橋殼所受載荷的處理
后橋所受載荷有后懸掛及后輪對后橋的作用力，本分析考慮了兩種工作載荷：一種為橋負荷，取最大負荷為2.5噸（動載系數(shù)2.5），分別作用在板簧支座與橋殼聯(lián)接位，如圖3所示；另一種載荷為平衡桿在車身發(fā)生傾斜等情況時產(chǎn)生的抗力。
平衡桿的抗力有兩種計算方法，一種是按理論力學平衡原理求出平衡桿抗力，另一種是通過有限元分析，即考慮平衡桿實際變形，求出平衡桿抗力，平衡桿的模型如圖4所示。其中傾斜角度決定了抗力的大小，所以?取2o到10o范圍，得到對應(yīng)的抗力的大小。如表1所示。
表1. 不同角度下平衡桿的抗力
3.2車橋殼的約束情況
車橋殼的約束支承兩端簡化是在左右支點加約束：Uy=0，Uz=0；同時在左支點加約束為Ux=0，Rx=0；中間聯(lián)接傳動軸部位簡化約束為：Uz=0，如圖4所示。
圖4. 平衡桿模型與抗力
4 計算結(jié)果分析
4.1初步計算結(jié)果
通過FEM對平衡桿模型有無作用力計算比較。當平衡桿扭6度時，平衡桿支架對橋殼作用力為正負9070牛頓，不難得到在距中心0.271米處產(chǎn)生的附加彎矩。有作用力計算得殼體最大撓度5.905毫米，第一/三主應(yīng)力為335/-344Mpa；無作用力計算得殼體最大撓度5.583毫米，第一/三主應(yīng)力為285/-292Mpa，可見平衡桿支反力，加大了橋殼工作負擔，殼體最大撓度增加了0.32豪米（5.7%），同時位置偏移，第一三主應(yīng)力值增加了17.5%到17.8%，可以說：平衡桿支反力對橋殼體影響主要體現(xiàn)在橋殼彎矩的加大。如圖5、6所示。
圖5. 車身不發(fā)生傾斜時橋殼應(yīng)力分布
圖6 平衡桿角度為零時橋殼最大應(yīng)力
4.2初步計算結(jié)果分析
初步分析表明，橋殼高應(yīng)力點在管段與中間段過度?。ň嘀行?/SPAN>0.274-0.30米）處，該處是平衡桿加強板和橋殼焊縫，該點非常接近橋殼對焊縫與琵琶段的三角接板對焊位。從橋殼敏感部位局部的結(jié)果，可見該段基本上是彎曲工作狀態(tài)。焊點位存在較大連接力，導致焊縫應(yīng)力名義值達到500多Mpa，必然在橋殼焊縫同一部位的高應(yīng)力，如圖7所示。
圖7 橋殼敏感部位局部的計算結(jié)果
可以說，橋殼斷裂問題主要因素是：殼體強度已飽和，增加平衡桿作用后，最大應(yīng)力再提高18%，最大應(yīng)力已達337-345 Mpa ，強度明顯不足。另一個因素是該部位存在橋殼和平衡桿支座板焊縫聚會，焊縫雖在橋的中部，但焊縫的應(yīng)力很高，易引起疲勞裂紋。
改進建議是：1、加大橋管尺寸，根本上提高橋殼彎曲強度；2、加大與琵琶段過度圓弧，降低該處應(yīng)力集中度；3、盡可能向外移動平衡桿支座點尺寸，降低支座力和橋殼敏感部位的附加彎矩；4、減小平衡桿支座尺寸，錯開焊縫過份接近，避免相互影響；5、減薄平衡桿支座板尺寸、采用自動焊接技術(shù)、考慮在焊縫端應(yīng)用斷續(xù)焊縫等，以減小焊接影響。第一點可根本性改善，其它單條應(yīng)用不一定能夠解決壽命問題。
4.3平衡桿支座對橋殼作用分析
根據(jù)初步計算分析，驗證了橋殼問題產(chǎn)生在D F G 位，應(yīng)力高達290 Mpa，發(fā)現(xiàn)了平衡桿支座板焊接部位有高應(yīng)力等情況，判斷分析疲勞源可能發(fā)生在G點。排除加大橋管的改進，分析工作重點放在平衡桿支座板和焊接部位結(jié)構(gòu)分析和改進上。
圖8 支座板的高應(yīng)力梯度圖
平衡桿支座板對橋殼作用力是呈左右反對稱的，即“只有車身傾斜的一方，支座板對橋殼作用力是與橋殼主工作力是疊加的”。僅限于支座板對橋殼作用力向下的情況，支座板與橋殼間通過焊點相互傳遞作用力，可見垂直作用力主要分布焊縫兩端，中間數(shù)值低并呈反方向。軸向力在焊縫兩端數(shù)值高，方向相反，清楚地表明了支座板和橋殼之間作用力關(guān)系，焊縫對橋殼單元產(chǎn)生的作用力大體呈懸索形。說明了：“U”形支座板有較大的彎曲剛度，在它存在的一段內(nèi)，它約束了原來橋殼的彎曲變形，從而在焊縫兩端產(chǎn)生高應(yīng)力。從結(jié)果看到，即使沒有側(cè)傾角，該處應(yīng)力依然很高，高應(yīng)力數(shù)據(jù)85%是結(jié)構(gòu)性的、15%左右為車身傾斜時平衡桿作用力產(chǎn)生的。前者為改進結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了空間，而后者只要有平衡桿就是必然存在的。
支座板設(shè)計，除功能需要外，結(jié)構(gòu)強度方面考慮：必須保證平衡桿支座自身強度；盡可能減小對橋殼（高應(yīng)力區(qū)）產(chǎn)生附加應(yīng)力和焊縫應(yīng)力集中。兩者實際上是互相包容的。從計算結(jié)果可見，如圖8所示，支座板的高應(yīng)力實際上是因焊點局部高應(yīng)力引起的。支座板其它部位應(yīng)力很低，這樣支座板的改進方向就十分明確：“軟化支座板，減少對殼體的附加約束?！?/SPAN>
4.4 改進方案研究
綜合分析支座板結(jié)構(gòu)，設(shè)計三個改進方案都去掉原設(shè)計中向外沿伸的“耳字形”托板，考慮到：車身側(cè)傾一方，平衡桿對橋殼是下拉作用，托板不起力傳遞作用；另一側(cè)，雖是上推作用，它與主載荷是相減的。同時因制造平衡桿支座高應(yīng)力分布等因素，對橋殼的托起作用也明確。更主要的是因為它使得支座板剛度加大，令焊縫端點處于“凹口”狀態(tài)，增加了焊縫端點的應(yīng)力集中度。出于同樣理由，各改進方案都將支座板兩端中部剪為內(nèi)凹入形，使得焊縫端點處于“稍尖”狀態(tài)，減少焊縫端點應(yīng)力集中。
針對減小支座板彎曲剛度，使它與橋殼彎曲變形協(xié)調(diào)。A方案將半圓形支座板弧高減為28毫米；B方案只將支座板中間剪成凹弧，焊縫在中部斷開；C方案是B方案的進一步，將支座板中間剪開，成為斷開的兩個“I字形”板，它靠下面的槽形平衡桿安裝架連接，如下圖所示。
幾種方案計算結(jié)果
從結(jié)果可見，方案A效果不好，焊縫長度沒改變，主要是焊縫下移后，離開了橋殼彎曲中心面，比彎曲中心大的橋殼軸方向延伸變形受到約束，造成軸方向約束力加大；方案B呈理想方向變化，但力度不夠；方案C是較理想，殼體應(yīng)力基本持平，Sv有所下降，焊縫S1有大幅度下降，但其位遠離橋殼高應(yīng)力部位。座板S1也呈下降態(tài)。所以從結(jié)構(gòu)改進角度評價，不增加橋殼和支座板應(yīng)力，同時降低焊縫高應(yīng)力。
5 結(jié)束語
本文對車后橋分析是建立在簡化約束及假設(shè)基礎(chǔ)上，計算研究得到的結(jié)論是：方案C較理想，可達到不增加橋殼應(yīng)力下，有效壓低焊縫應(yīng)力，如前期實驗的疲勞源發(fā)生在焊縫上，屬于平衡桿支架焊接方面的問題，改進方向是盡可能弱化平衡桿支座剛度，降低對橋殼的附加約束并減小焊縫應(yīng)力。但如果疲勞源發(fā)生在橋殼過度段（D、F點），改進方案的效果很難預(yù)測。因此，應(yīng)用CAE方法進行優(yōu)化設(shè)計，對不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)零件，分析須對實驗疲勞斷口進行研究，判斷疲勞源位置，同時，需要通過評價數(shù)據(jù)庫進行評價，在沒有評價數(shù)據(jù)庫的條件下，對上述橋殼的高應(yīng)力，其疲勞強度情況還有待進一步研究。
（轉(zhuǎn)載）
