文献综述
论文题目： 驱动桥壳冲压成型的有限元分析
一、前言
汽车驱动桥壳既是承载零件,也是传力部件,同时又是主减速器、差速器及驱动车轮传动装置(如半轴)的外壳。在汽车行驶过程中,桥壳承受繁重的载荷,设计时必须考虑在动载荷下桥壳有足够的强度和刚度。为了减小汽车的簧下质量,以利于降低动载荷、提高汽车的行驶平顺性,在保证强度和刚度的前提下应力求减小桥壳的质量。桥壳还应结构简单、制造方便,以利于降低成本。其结构还应保证主减速器的拆装、调整、维修和保养方便。桥壳的结构型式大致分为可分式、整体式和组合式3种[1]。其中整体式桥壳因强度、刚度好，拆装方便等优点被普遍使用。而整体式桥壳根据其制造方式可分为铸造整体式、钢板冲压焊接式、钢管扩张成形式,和液胀4种制造工艺[2]。其中的钢板冲压焊接整体式桥壳,除了具有制造工艺简单、材料利用率高、废品率低、生产率高及制造成本低等优点外,还有足够的强度和刚度,特别是其质量小仅为铸造整体式质量的左右,却比铸造桥壳更安全可靠。由于钢板冲压焊接整体式桥壳有一系列的优点近年来不但在轿车、轻型、中型载货汽车上得到广泛应用,而且在吨位更大的重载汽车业开始广泛采用。桥壳制造质量的好坏对汽车的载重能力,安全性有直接影响[3]。
- 驱动桥壳冲压成型的发展现状
国外发展状况
- Budiansky和N.M.Wang利用完全Lagrange描述，得出了能用于普通材料成形过程分析的有限元模型。此模型假设认为材料存在弹塑性并满足速率无关的Mises 型流动法则，同时假设材料薄到可以忽略弯曲效应以求可以采用薄膜理论单元，界面约束则引入了库伦摩擦定律，对多种材料的半球冲头和平底冲头下的成形问题进行了模拟，计算得到的结果与实验结果基本吻合。S.C.Tang 和N.M.Wang运用薄壳理论的T.L方法实现了轴对称材料的胀形和拉延。Key首先提出了显式的有限元积分算法，这种算法的主要类容是有限元方程的计算显示化，以时间的中心差分格式为基础，从而避免了大量迭代计算，这种方法很好的规避了由于非线性特点产生的收敛问题，其优点在于擅长大型复杂模型的分析并且占用储存空间小。板料成形分析的方法向着CAD/CAE/CAM 一体化方向发展，进入虚拟制造系统的时代，同时有限元的显式积分法也应用在该领域，并从理论研究转向实际的应用，出现了非常多了商品化软件。例如Dynform、Autoform、PAM-Stamp、LS_Dyna3D、Abaqus等软件。其中美国Hallqist等人开发的DYNA3D 和LS_DYNA3D软件采用动力显式积分算法可以解决大规模的动力非线性问题，并且有丰富的单元库，包括实体单元、薄壳单元和离散单元等。随着有限元和计算机技术的不断发展以及板料成形3D数值模拟技术的逐渐成熟，研究深度进一步加深，并且复杂型面覆盖件的工艺分析逐渐成为了研究的重点，主要包括成形过程仿真、起皱、破裂、回弹预测和冲压成形工艺条件对冲压成形结果的影响，并且开始引入冲压加工的相关知识。
国内发展状况
主要的研究有李尧臣采用板壳大变形理论，通过研究材料的各项异性及模具与板材之间的接触和摩擦对成形中屈曲现象进行了分析。李光耀运用动力显式算法对S 形工件成形问题进行了分析。董湘怀提出的弹性边界层方法采用薄膜单元对轴对称进行了有限元模拟，从而克服了节点接触状态变化引起的计算不稳定。同时全国某些知名高校在软件开发方面做了很多积极的工作，例如吉林大学成功的推出了有限元仿真软件KMAS。目前，我国有很多汽车设计工程师利用有限元法对驱动桥壳进行失效分析，并取得了理想的效果，为汽车的发展做出的很大的贡献。如某汽车公司的工程师刘也文、陈效华等针对某微型汽车驱动桥在综合耐久试验中出现驱动桥桥壳断裂的现象进行相关分析。通过建立该驱动桥桥壳的几何模型，并利用Ａｎｓｙｓ软件对模型划分单元网格，再利用Ａｎｓｙｓ软件对桥壳进行静力、模态等分析，找出了桥壳断裂的原因。然后通过更换原材料，同时优化驱动桥壳的结构和焊接工艺，从而降低了桥壳总成的局部应力。改进后的桥壳己批量投入生产中，在市场上再未出现桥壳总成断裂的现象。方盛车桥有限公司的黄在璐工程师在２０１２年时运用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ建立汽车后桥壳的三维模型，并利用ＵＧＳ公司的ＣｏｓｍｏｓＷｏｒｋｓ有限元分析模块对驱动桥桥壳总成进行静态力学分析。通过分析获取了桥壳总成的应力分布图，从而为零件的合理设计提供有参考的数据[3]。
三、总结
科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用,使产品的生产制造技术越来越先进。自上世纪年代以来,各种新技术、新方法层出不穷,而数字化制造技术就是其中最有发展前途的先进制造技术之一。随着力学、特别是大变形弹塑性有限元方法和计算机软硬件技术的迅速发展,以及冲压成形理论研究的不断深入,使得对类似于覆盖件以及其他复杂型面板料的成形进行模拟仿真成为可能。冲压过程中影响材料流动的因素是诸多的,如材料性能和质量、冲压设备性能、坯料形状、冲模结构和参数等等。目前,技术人员在进行模具设计和冲压工艺设计时主要还是依赖自己的经验,对于生产中出现的质量问题也主要是靠经验以及反复试模来解决,势必造成很大的人力、物力和财力的浪费。使用板料成形可以在计算机上模拟板料成形的全过程,并对起皱、破裂等成形质量进行预测,还可以分析材料参数、模具参数、摩擦和润滑等边界条件等对成形性能的影响因此利用计算机数值模拟对板料成形性能进行研究,可以提高设计的可靠性,减少模具制造中的问题,缩短生产准备的周期[3]。
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