基于台架试验的驱动桥壳有限寿命设计方法与流程

本发明涉及驱动桥壳有限寿命设计方法，具体地说，是一种利用goodman图确定桥壳有限寿命设计的工作许用应力值，基于响应曲面优化方法进行驱动桥壳的轻量化设计方法。

背景技术：

结构设计有两种方式，一种是无限寿命设计，一种是有限寿命设计。无限寿命设计能保证零件在设计应力下长期安全有效的运行，在使用过程中的应力不会超过材料的疲劳极限。有限寿命设计方法是仅在一定期限内保证结构的安全可靠，因此允许零件在超过疲劳极限的应力循环下工作。在国外，有限寿命设计方法被应用在汽车、航天、航空等对产品自身重量要求较高的领域，并取得了较好的成果。而我国机械设计中，采用这种设计思想的却不多。

由于汽车零件在实际工作中所承受的载荷复杂多变，在进行有限寿命设计时，载荷谱的确定往往较为困难。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够保证驱动桥壳垂直弯曲疲劳台架试验循环次数的中值寿命不小于80万次前提下，有效降低桥壳壁厚，实现桥壳减重的基于台架试验的驱动桥壳有限寿命设计方法。

本发明所述的基于台架试验的驱动桥壳有限寿命设计方法，包括下述步骤：

1)依据台架试验循环次数的中值寿命80万次的标准和goodman图确定桥壳的最大工作许用应力

2)桥壳外表面尺寸参数不变，仅以桥壳厚度为优化变量，最大应力和疲劳寿命为约束条件，桥壳质量最小为优化目标，建立桥壳的参数化模型，基于响应曲面优化方法，进行桥壳的轻量化设计，寻优方程为：

findx＝(x1，x2，x3，…xn)^t

minw(x)

fi(x)≥800000次(i＝1，2，3…n)

ximin＜＜xi＜＜ximax(i＝1，2，3…n)

设定目标样本n≥8000，根据筛选优化方法计算出三个最佳设计点，选出最小桥壳厚度作为设计值。

上述的基于台架试验的驱动桥壳有限寿命设计方法，步骤1)依据台架试验循环次数的中值寿命80万次的标准和goodman图确定桥壳的最大工作许用应力具体过程如下：

a)、根据桥壳弯曲疲劳强度降低系数kσd，绘制出存活率为p的桥壳零件疲劳应力s-疲劳寿命n曲线；

b)、绘制出桥壳所用材料及零件的goodman图，横坐标和纵坐标分别表示平均应力σm和应力幅σa；b点坐标为(σb，0)，σb为材料的极限强度；b′点坐标为(σb′,0)，σb′为零件的极限强度；其中ks1为桥壳的分散系数；

c′点坐标为(0，σ-1np′)，σ-1np′代表疲劳寿命为n、存活率为p条件下的零件疲劳应力，根据疲劳应力s-疲劳寿命n曲线得到；

得到桥壳零件等效寿命线b′c′的斜率；又因疲劳试验最大载荷值为2.5倍轴荷，最小载荷值为0.25倍轴荷，根据可知：σa′＝0.45σ′max，σ′m＝0.55σ′max，求得桥壳有限寿命设计时的工作应力点a′(σm′，σa′)，计算得到最大应力σ′max，根据安全系数[n]得到桥壳有限寿命设计的最大工作许用应力

上述的基于台架试验的驱动桥壳有限寿命设计方法，桥壳采用q345c材料，材料的极限强度σb＝612mpa，ks1＝1.1，零件的极限强度σb′＝556.4mpa；σ-1np′取疲劳寿命为80万次、存活率为50％的零件s-n曲线上数值，即为230mpa；等效寿命线b′c′的斜率为-0.413，工作应力点a′(186.8，152.8)，最大应力σ′max＝339.6mpa，取安全系数[n]＝1.1，则桥壳厚度在6.2毫米，此时最大应力为307.99mpa，疲劳寿命为87万次。

本发明的有益效果：本发明实现了载荷复杂多变的汽车零件驱动桥壳的轻量化设计，为汽车其它零件的轻量化设计具有指导作用。本专利是一种基于台架试验国标和goodman图的汽车驱动桥壳有限寿命设计方法，它利用ug和ansysworkbench软件建立驱动桥壳的有限元模型，依据台架试验结果验证模型的有效性，并根据国家驱动桥壳垂直弯曲疲劳台架试验循环次数的中值寿命80万次的评价指标，利用goodman图确定桥壳有限寿命设计的工作许用应力值，基于响应曲面优化方法实现了驱动桥壳的轻量化设计，驱动桥壳减少6kg的质量，相比原驱动桥壳减重17％，具有显著效果。

附图说明

图1是驱动桥壳上布置的施力点和7个测点示意图；

图2是驱动桥壳具体约束和加载位置的有限元模型图；

图3是存活率50％的桥壳零件s-n曲线；

图4材料和零件的goodman图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来详细说明本专利的设计方法。

1驱动桥壳有限元模型的建立与验证

本专利以某公司生产的轻型货车驱动桥壳为研究对象，空心梁由q345c制成，半轴套管采用45钢制成。驱动桥壳属于冲焊式，由空心梁、加强环、后盖、钢板弹簧座、法兰盘、半轴套管、三角镶板等部件组成。空心梁部分由钢板冲压制成，壁厚8mm，轮距1485mm，板簧距880mm，满载轴荷为41160n。在建模过程中，忽略对结构强度影响较小的放油孔、减震器支架和一些倒角工艺结构等，利用ug建立驱动桥壳的三维实体模型，导入ansysworkbench中构建有限元模型。

驱动桥壳的空心梁、钢板弹簧座、法兰盘等采用六面体网格划分，半轴套管和后盖采用四面体网格划分，整体采用4mm的单元尺寸进行网格控制，建立的驱动桥壳有限元模型有370906个节点，835831个单元，材料属性如表1所示。

表1材料参数表

本专利建立的有限元模型是利用垂直弯曲刚性台架试验数据进行验证和完善。根据台架试验标准，在驱动桥壳上布置如图1所示的7个测点，钢板弹簧中心处为2个力点，轮距处为2个支点。试验时记录各测点的位移量，并利用有限元模型进行垂直弯曲刚性试验工况的仿真模拟，约束左侧支点的xyz平动与xy转动，右侧支点处约束xz平动与xy转动。在板簧座上施加最大载荷102290n(按满载轴荷2.5倍计算)，具体约束在轮距处的2个支点，加载位置在钢板弹簧中心处的2个力点，其有限元模型如图2所示，仿真得出的7个测点位移量与试验实测位移量对比如表2所示。位移仿真结果与试验数据的最大误差值位于半轴套管上的测点，这是由于仿真时约束点在测点附近导致的，其它测点的位移误差均在10％以内，有限元模型的仿真结果与台架试验结果吻合较好，从而验证了有限元模型的正确性。

表2桥壳最大轴荷变形量试验与仿真结果

2垂直弯曲疲劳台架试验的仿真

驱动桥壳垂直弯曲疲劳台架试验属于低应力高周疲劳分析的范畴，因此本专利采用miner累计损伤理论，利用名义应力法来估算桥壳的疲劳寿命。由于疲劳试验的不确定性会造成试验结果具有较大的分散性，因此材料的s-n曲线只有在一定存活率下才有意义，工程中常引用存活率为50％的s-n曲线。本专利基于材料的疲劳耐久性试验数据，根据驱动桥壳的具体结构参数，由《机械设计手册》查知桥壳零件的应力集中有效系数、尺寸系数、表面加工系数及表面强化系数，并依据机械设计理论计算得到弯曲疲劳强度降低系数kσd为1.254，绘制出存活率为50％的桥壳零件s-n曲线如图3所示。

在进行桥壳疲劳寿命估算时，根据垂直弯曲疲劳台架试验工况设置边界条件及载荷历程。约束条件与图2仿真时一致，载荷条件为正弦交变载荷，幅值范围在0.25倍至2.5倍满载轴荷之间，频率为5hz，对桥壳疲劳寿命进行分析结果。疲劳寿命较小值出现在桥壳的月牙槽处，疲劳寿命为143万次，空心梁其它区域及半轴套管处的疲劳寿命都较高，接近于无限寿命，这为桥壳的轻量化设计提供了理论依据。

3基于有限寿命的桥壳优化设计

3.1桥壳的工作许用应力

名义应力有限寿命设计方法分为等幅应力和变幅应力设计。其中等幅应力下的有限寿命设计又分为对称循环和非对称循环两种方式。本专利驱动桥壳采用的是非对称等幅应力循环试验。

基于名义应力法进行桥壳的有限寿命设计需要知道两个条件，一是桥壳材料属性和结构特征，二是最大工作许用应力。第一个条件由图2的有限元模型可以获知，第二个条件本专利是依据台架试验循环次数的中值寿命80万次的标准和goodman图确定。

以空心梁q345c材料为例，绘制对应材料和零件的goodman图，如图4所示。横坐标和纵坐标分别表示平均应力σm和应力幅σa，b点坐标为(σb，0)，σb为材料的极限强度。b′点坐标为(σb′,0)，σb′为零件的极限强度。σ-1np代表疲劳寿命为n、存活率为p条件下的材料疲劳极限。

其中σb为612mpa，ks1为零件的分散系数，对于冲压件该值取1.1，因此σb′＝556.4mpa。σ-1np′取图3中疲劳寿命为80万次、存活率为50％的s-n曲线上数值，即为230mpa。

因此得到桥壳零件等效寿命线b′c′，b′(556.4，0)，c′(0，230)，b′c′的斜率为-0.4134。又因疲劳试验最大载荷值为2.5倍轴荷，最小载荷值为0.25倍轴荷，根据可知：σa′＝0.45σ′max，σm′＝0.55σ′max，由两点式公式知b′c′的方程式为：y＝230-0.4134x，点a′(σm′，σa′)在直线上，满足方程式，代入求得σ′min，＝33.96，σ′max＝339.6mpa，求得桥壳有限寿命设计时的工作应力点a′(186.8，152.8)，取安全系数[n]＝1.1，则桥壳有限寿命设计的最大工作许用应力为308.7mpa。

3.2参数化模型寻优

由于桥壳外表面涉及的工艺参数较多，包括支架安装，板簧座安装，各通道布置等，而桥壳内表面尺寸变化只需调整轴承尺寸。所以综合考虑，确定桥壳外表面尺寸参数不变，仅以空心梁厚度为优化变量，最大应力和疲劳寿命为约束条件，桥壳质量最小为优化目标，建立桥壳的参数化模型，基于响应曲面优化方法，进行桥壳的轻量化设计，寻优方程为：

findx＝(x1，x2，x3，…xn)^t

minw(x)

fi(x)≥800000次(i＝1，2，3…n)

si≤308mpa(i＝1，2，3…n)

ximin＜＜xi＜＜ximax(i＝1，2，3…n)

式中：x：优化变量，表示桥壳的厚度；

fi(x)：约束条件，对应厚度下的疲劳寿命；

si：约束条件，表示最大应力。

设定目标样本n为10000，根据筛选优化方法计算出三个最佳设计点，如表2所示。

由表2可知，空心梁厚度在6.2毫米为最佳样本，此时最大应力为307.99mpa，疲劳寿命为87万次，可以看出该组数值与有限寿命设计要求吻合较好。

表2筛选优化

3.3优化结果的有限元验证

根据优化结果，结合市场冲压板料厚度，将桥壳厚度由8mm减小到为6mm，调整桥壳内表面的尺寸达到减薄标准。对减重后的驱动桥壳进行力学性能、振动特性和疲劳寿命的验算。

1)最大垂向力

在满载轴荷2.5的最大垂向力工况下，采用有限元分析驱动桥壳的位移和应力，桥壳最大应力位于钢板弹簧座附近，数值为332mpa，直臂过渡圆弧处的应力为315mpa，月牙槽处应力为299mpa，皆小于材料的屈服强度；最大位移为2.9mm。

2)模态

对驱动桥壳进行自由模态分析，优化前和优化后的桥壳固有频率如表3所示。从表3可以看出，减薄后的桥壳动态特性良好，最低模态频率值为146hz，较优化前略微减小，符合设计要求。

表3桥壳模态分析结果

3)疲劳性能

对驱动桥壳进行垂直弯曲疲劳台架试验的有限元仿真，得到优化后的桥壳寿命。桥壳最低寿命和较低寿命出现在钢板弹簧座附近、直臂过渡圆弧处和月牙槽处，较低寿命在83万次左右。

4结论

(1)本专利依据驱动桥壳垂直弯曲疲劳台架试验循环次数的中值寿命80万次的评价指标，利用goodman图确定桥壳的工作许用应力值为308mpa。基于桥壳的参数化模型和优化方法，对驱动桥壳进行有限寿命的轻量化设计，将桥壳从厚度8mm减薄到6mm，桥壳质量从36.627kg减少为30.755kg，较原桥壳质量减少了约6kg，减重17％。优化后驱动桥壳的力学性能、振动特性和疲劳寿命皆符合设计要求。

(2)本专利以汽车驱动桥壳为例，提出一种基于台架试验国标和goodman图的汽车零件有限寿命设计方法。该方法不仅可以降低汽车零件实际载荷谱获取的难度，而且还可以保证汽车零件的设计满足台架试验的国家标准。

为了实现汽车零件的轻量化设计，本专利以汽车驱动桥壳为例，提出一种基于台架试验国标和goodman图的汽车零件有限寿命设计方法。依据qc/t533-1999《汽车驱动桥台架试验方法》的规定，在保证驱动桥壳垂直弯曲疲劳台架试验循环次数的中值寿命80万次的评价指标的前提下，利用goodman图确定桥壳有限寿命设计的最大工作许用应力，基于桥壳的参数化模型和优化方法对驱动桥壳进行有限寿命的轻量化设计。