, 谢里阳1, 张娜2, 罗义建21. 东北大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳 110819;
2. 中国第一汽车股份有限公司
收稿日期：2017-09-21
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51335003);辽宁重大装备制造协同创新中心资助项目。
作者简介：刘博林(1980-)，男，辽宁朝阳人，东北大学博士研究生;
谢里阳(1962-)，男，安徽岳西人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：针对目前冲压驱动桥壳有限元建模方式繁琐低效的问题, 在多学科优化集成软件Isight环境中, 综合运用Pro_E参数化建模功能和ABAQUS有限元分析功能, 建立了考虑冲压工艺和焊接工艺影响的驱动桥壳参数化有限元分析流程及参数化有限元模型.该方法有效地解决了复杂结构参数化有限元分析过程中的模型描述、参数驱动、自动更新等问题, 不仅为解决类似问题提供了一种新的解决方案, 也为桥壳可靠性预测和评估等问题提供了有效的工具.实例结果表明, 该方法合理、可行.
关键词：驱动桥壳Isight参数化有限元冲压
Finite Element Modeling of Punching Drive Axle Housing Parameterization Based on Isight
LIU Bo-lin1
, XIE Li-yang1, ZHANG Na2, LUO Yi-jian21. School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. State Key Laboratory of Vehicle NVH and Technology, China FAW Ltd., Co., Changchun 130011, China
Corresponding author: LIU Bo-lin, E-mail:strive_1980@163.com
Abstract: In order to solve the inefficient problem about the finite element modeling of drive axle housing, by combining the parametric modeling function of Pro_E with the finite element analysis function of ABAQUS and considering the influence of punching process and welding process, the parametric finite element analysis process and the model of drive axle housing were built based on the multidisciplinary design optimization software Isight. This method effectively solves the problems of model description, parameter driving and automatic updating in the process of parametric finite element analysis of complex structures. It not only provides a new solution to similar problems, but also provides an effective tool for the reliability prediction and evaluation of drive axle housing. The results demonstrated that the proposed method is reasonable and feasible.
Key Words: drive axle housingIsightparameterizationfinite elementpunching
驱动桥壳是汽车上重要的结构件之一, 其强度和刚度对汽车的安全性和可靠性产生直接影响.目前桥壳主要采用冲焊成型制造工艺.但冲焊工艺存在成型差, 焊接质量不稳定等问题.文献[1-2]对冲焊桥壳的成型过程进行了数值模拟, 指出冲压工艺导致桥壳厚度分布不均, 文献[3]阐述了冲焊桥壳在焊缝处易发生疲劳破坏, 因此, 在桥壳有限元分析过程中有必要考虑此类问题的影响.
现有的有限元模型建立方法大多是先采用三维软件建立几何模型, 然后导入有限元软件进行计算; 或是在有限元软件里直接由下到上建立分析模型.上述2种方法中, 当需要进行多次建模和分析时, 前者工作量巨大, 后者需要对模型进行大量简化, 且对于一些复杂的模型如驱动桥壳等无法通过该方法实现.随着计算机技术的不断发展, 参数化有限元建模技术得到人们越来越多的关注, 通过CAD, CAE软件的集成, 构建一体化工作环境, 可极大地减少花在模型修改和重建上的时间[4].目前, 很多软件开发商都致力于开发可以实现对CAD和CAE进行联合仿真的软件, Isight是其中之一.通过Isight软件集成CAD和CAE软件进行机械产品优化设计、可靠性设计已经成为机械产品设计领域研究的热点[5-7].但Isight集成技术在驱动桥壳上的应用还未见报道.
本文以Isight软件为平台进行驱动桥壳参数化有限元建模集成工作的研究.基于Isight强大的多学科仿真集成能力, 综合应用Pro_E的三维参数化建模功能和ABAQUS的有限元自动化分析功能, 对构建驱动桥壳集成建模平台的方法进行了研究, 将参数化三维实体建模和有限元分析集成在一起, 实现仿真流程的自动化.
1 桥壳厚度变化规律及三维参数化建模方法驱动桥壳先由钢板冲压成型两个半桥壳, 再将两个半桥壳焊接成桥壳本体.此类桥壳结构如图 1所示, 由半桥壳、半轴套管、钢板弹簧支座、制动法兰、后桥盖、减速器壳等部件焊接而成.冲压桥壳的关键尺寸为矩形截面高度、宽度、厚度、圆角半径及过度圆角半径等参数.目前, 驱动桥壳一般设计为等厚截面, 但冲压工艺导致桥壳厚度分布不均, 圆角半径误差较大.有限元分析有必要考虑这些因素的影响.图 2是测点分布图, 图 3是某样件测得的冲压后桥壳的厚度变化趋势.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 冲压桥壳Fig.1 Punching drive axle housing |
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 冲压桥壳厚度测点分布Fig.2 Distribution of thickness measuring points of punching drive axle housing |
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 某冲压桥壳的厚度变化规律Fig.3 Variation of the thickness for punching axle housing (a)—纵向厚度变化；(b)—横向厚度变化. |
鉴于冲焊驱动桥壳结构的复杂性, 采用基于Pro_E的参数化造型功能建立桥壳的参数化模型和基于Pro_E提供的trail.txt轨迹文件建立桥壳参数化模型模板的方法[8-10].该方法与二次开发Pro_E方法相比无需复杂编程即可实现建模的自动化, 同时trail.txt模板可有效实现Pro_E与Isight集成.基于此方法, 桥壳参数化几何建模的过程如下:根据图 3, 将桥壳分为8个设计区域, 如图 4所示, 并定义各区域的参数化变量.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 桥壳不等厚度设计区域及参数化变量Fig.4 Design area with different thickness and parametric variables of axle housing |
分别建立8个设计区域的桥壳几何截面并扫掠成型, 建立参数化变量与各特征之间的映射关系, 并考虑焊缝等细部特征, 然后制作trail.txt参数化模型模板, 最终建立的三维参数化模型如图 5~图 7所示.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 桥壳Pro_E三维参数化模型Fig.5 Pro_E 3D parametric model of axle housing |
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 桥壳局部放大图Fig.6 Partial enlarged drawing of axle housing |
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 桥壳厚度方向剖视图Fig.7 Section view of thickness of axle housing |
2 有限元分析自动化实现方法复杂模型的网格划分是有限元建模过程中耗费时间最长的部分.同时, 为了优化设计及保证结果的正确性, 还需要对不同的模型进行重复计算.因此, 实现有限元建模流程的自动化十分必要.
ABAQUS软件被认为是功能最强大的有限元软件之一, 其主体框架由Python编程语言构成, 利用Python语言可以编写适合需求的脚本程序, 控制ABAQUS内核来完成各种操作[11-13].
本文基于Python语言建立驱动桥壳有限元分析模板，集成仿真知识，自动实现驱动桥壳的几何模型导入、材料属性添加、网格划分、结合面处理、约束载荷加载、计算分析及结果提取等一系列操作, 图 8为所开发的脚本程序流程图.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 脚本程序流程图Fig.8 Flow chart of script programs |
3 Isight软件集成本文以Isight为平台集成Pro_E参数化建模功能和ABAQUS自动化有限元分析功能, 实现驱动桥壳建模的流程化, 流程图如图 9所示.具体如下:通过Isight调用Pro_E批处理文件(GoProe.bat)并读取trail文件, 读入参数化变量值, 实现Isight与Pro_E之间的参数传递及模型重建.通过Isight调用ABAQUS的批处理文件(GoABAQUS.bat), 实现Isight与ABAQUS的数据传递及自动化有限元分析[14].
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 集成平台流程图Fig.9 Flow chart of integration platform |
基于Isight软件集成Pro_E和ABAQUS建立的CAD/CAE集成平台如图 10所示.
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 CAD/CAE集成平台Fig.10 CAD/CAE integration platform |
集成系统包括Pro_E和ABAQUS两个模块, 分别实现驱动桥壳的参数化几何建模功能及有限元分析功能.
1) Pro_E模块:canshu.txt作为输入文件提供结构尺寸参数, 实现对几何模型的修改, qiaoke.stp是输出给ABAQUS的模型输入文件.
2) ABAQUS模块:abaqus.py为输入文件，实现有限元模型的建立及计算, abaqus.bat是输出文件, 从中可以得到最大应力等信息.
4 集成结果利用平台参数化建模功能, 选取3组不同壁厚的桥壳进行有限元分析, 具体取值见表 1, 生成的有限元模型见图 11~图 12, 从图中可以看出模型考虑了桥壳厚度沿轴向的变化趋势.计算结果见图 13~图 14所示.
表 1(Table 1)
 表 1 桥壳厚度取值Table 1 Thickness value of drive axle housing
| 表 1 桥壳厚度取值 Table 1 Thickness value of drive axle housing | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
图 11(Fig. 11)
 | 图 11 有限元模型局部放大图Fig.11 Partial enlarged drawing of finite element model |
图 12(Fig. 12)
 | 图 12 桥壳厚度方向剖视Fig.12 Section view of thickness of axle housing finite element model |
图 13(Fig. 13)
 | 图 13 不同厚度桥壳应力对比Fig.13 Stress contrast of different thickness of axle housing (a)—桥壳1; (b)—桥壳2; (c)—桥壳3. |
图 14(Fig. 14)
 | 图 14 不同厚度桥壳变形量对比Fig.14 Deformation contrast of different thickness of axle housing (a)—桥壳1; (b)—桥壳2; (c)—桥壳3. |
从图中看出, 桥壳厚度不同, 桥壳在同样载荷下最大应力值及变形量也不同.桥壳厚度变薄10%应力增加8%, 变形增加6%；桥壳厚度变薄20%应力增加18%, 变形增加8%.应力对桥壳厚度变化较敏感, 变形受厚度变化影响较小, 因此, 在计算桥壳应力时, 考虑冲压影响的变厚度桥壳更加合理.
5 结语基于Isight平台, 通过对Pro_E软件和ABAQUS软件的二次开发及过程集成, 实现了有限元建模的自动化; 以某驱动桥壳为例, 建立了三维参数化有限元建模集成系统, 验证了所提方法的可行性, 同时为解决类似问题提供了一种新思路.
平台运行结果表明该CAD/CAE集成系统能够大大减少设计人员的工作量, 大幅提高分析效率, 短短几分钟的时间即可完成从建模到分析计算的全过程, 具有很大的工程应用价值.
桥壳有限元分析结果说明忽略冲焊工艺导致桥壳厚度不均的影响, 将使有限元计算结果与实际结果偏差较大, 因此考虑变厚度的桥壳更加合理.
本文提出的驱动桥壳CAD/CAE集成系统的思想也可应用于驱动桥壳的多目标优化、可靠性预测和评估等问题.
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