装载机驱动桥壳的疲劳分析
摘要：装载机的驱动桥壳在实际运动中是主要传力件和承载件，在长时间运动中发生断裂，因此要研究其在运动中的疲劳寿命。通过ANSYS Workbench有限元分析软来计算驱动桥壳的疲劳寿命，得到驱动桥壳的疲劳寿命分布云图和安全系数分布云图分析，为驱动桥壳的设计研究与实际生产工艺提有力依据。
关键词：驱动桥壳；ANSYS Workbench；疲劳寿命
驱动桥桥壳作为装载机的主要传力件和承载件，使用频繁，故障率较高，其生产质量和性能直接影响到车辆的整体性能和有效使用寿命。疲劳断裂是机械部件的主要破坏和失效形式之一[1]。因此桥壳必须具有足够的强度、刚度和良好的动态特性。合理地设计桥壳也是提高汽车平顺性和舒适性的重要措施。由于还必须保证车辆在加速、紧急制动和各种不同路面条件下的正常工作，所以桥壳是车辆上工作环境最恶劣的部件。本文应用ANSYS Workbench有限元分析软件对驱动桥壳工作过程中的疲劳寿命进行分析，计算桥壳的最大和最小疲劳破坏位置，以此来确定桥壳是否能满足实际工作中的要求。
1.驱动桥壳有限元模型的建立及计算
1.1驱动桥壳的参数
有限元分析采用三维实体模型[2]，ZL50装载机型的驱动桥为研究对象。驱动桥壳材料为[3]桥壳体ZG270-500、轮边支撑轴40Cr、连接板16Mn。其参数分别如下：弹性模量E=175GPa ，泊松比μ=0.3，密度ρ=7840kg/m3，屈服极限σs=270MPa，抗拉极限σb=500MPa；弹性模量E=207GPa ，泊松比μ=0.277，密度ρ=7870kg/m3，屈服极限σs=785MPa，抗拉极限σb=980MPa；弹性模量E=212GPa ，泊松比μ=0.31，密度ρ=7850kg/m3，屈服极限σs=345MPa，抗拉极限σb=660MPa。
1.2单元选择及网格划分
驱动桥壳采用solid186单元，该单元是一个高阶3维20节点固体结构单元，SOLID186具有二次位移模式可以更好的模拟不规则的网单元通过20个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。Solid186可以具有任意的空间各向异性，单元支持塑性，超弹性，蠕变，应力钢化，大变形和大应变能力。在建立完几何模型后，通过网格划分工具定义线的单元尺寸，进行映射网格划分。有限元分析后划分完网格模型共有90968个单元和186026个节点。
1.3边界条件及加载
驱动桥壳受到的主要是弯曲变形，选择左右两侧轮边支撑轴上的轴承处作X、Y和Z方向的约束，在弹簧座四个表面处添加Z轴负方向的受力载荷。本文研究约束驱动桥壳的轮边支撑轴的轴承位置处，在板簧座处施加2.5倍额定载荷下的力。
2.计算结果
3.结果分析
通过驱动桥壳疲劳寿命分布云图可得：驱动桥壳寿命的变化范围为4.7882e7次～1e8次，最低疲劳寿命值为4.7882e7次，在轮边支撑轴的台阶处，但均满足符合桥壳疲劳寿命高于80万次的国家标准。因为需要满足80万次的国家标准[4]，在求解安全系数结果Safety Factor时，设置设计寿命Detail life为8e5，因此通过安全系数结果得出，驱动桥壳最小安全系数为1.7051，大于1，满足设计要求。
4.结论
用ANSYS Workbench有限元分析得到的驱动桥壳在2.5倍额定载荷下的受力下的疲劳寿命分析的情况，提供驱动桥壳的疲劳寿命云图， 可以在设计阶段提前判断出驱动桥壳的应力集中的地方，并且通过对设计的修改，避免出现不合理的应力分布。因此， 使用有限元分析方法，能够减少实际中检测驱动桥壳的时间和成本，缩短产品的开发周期， 而且提高驱动桥壳的设计水平， 确保驱动桥壳的使用寿命。
参考文献：
[1]徐灏.疲劳强度[M].北京：高等教育出版社，1998：1-9.
[2]袁越锦，徐英英，张艳华.ANSYS Workbench14.0建模仿真技术及实例详解[J].化学工业出版社，2014..
[3]谢海.ZL60装载机驱动桥总成结构分析研究[D].硕士论文，浙江理工大学，2013.
[4]刘长磊.重型货车驱动桥壳动态特性研究[D].硕士论文，青岛理工大学，2012.