高银峰_基于HyperWorks的重卡冲焊桥壳设计

基于HyperWorks的重卡冲焊桥壳设计Punching welding axle housing design of heavy truck based on HyperWorks

高银峰

(上汽商用车有限公司技术中心上海市 200438)

摘 要：本文介绍使用HyperWorks仿真平台在新产品H8A单级减速双联驱动桥开发过程中，对冲压焊接桥壳总成进行了一系列的分析计算最终得到了令人满意的设计。该分析计算流程包括使用OptiStruct对桥壳本体进行尺寸优化、使用HyperForm对桥壳本体进行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。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。

关键词：OptiStruct 尺寸优化 HyperForm 疲劳分析

Abstract:This paper describes the use of HyperWorks simulation platform in the new product H8A single stage deceleration duplex drive bridge assembly in the development process, a series of analysis calculation of the final obtained satisfactory for punching welding axle housing. The analysis procedure including the use of OptiStruct on the axle housing body stamping size optimization, using the HyperForm RADIOSS One Step on the axle housing body feasibility analysis, using OptiStruct on the bridge shell assembly analysis, finally using RADIOSS on the bridge shell assembly fatigue life analysis of static stiffness and strength forming. Smooth transfer the data analysis process chain, optimization design for the heavy truck punching welding bridge housing provides a new method for comprehensive.

Keywords: OptiStruct, size optimization, HyperForm, fatigue analysis

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2-1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2-1 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2-2所示：

图2-2 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2-3a和2-3b所示：

图2-3a 尺寸优化前板壳单元桥壳本体寿命云图

图2-3b 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2-4所示：

其冲压成形变薄率与主应变云图如图2-5所示：