(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111931290 A(43)申请公布日 2020.11.13
(21)申请号 202010714966.7(22)申请日 2020.07.23
(71)申请人 中国第一汽车股份有限公司
地址 130011 吉林省长春市长春汽车经济
技术开发区新红旗大街1号(72)发明人 李俊楼 康一坡 曹正林 刘艳玲
张尤龙 闫博 (74)专利代理机构 长春吉大专利代理有限责任
公司 22201
代理人 朱世林(51)Int.Cl.
G06F 30/15(2020.01)G06F 30/23(2020.01)G06F 119/14(2020.01)
权利要求书1页 说明书6页 附图4页
CN 111931290 A(54)发明名称
一种提高汽车半轴仿真精度的CAE建模方法(57)摘要
本发明公开了一种提高汽车半轴仿真精度
属于汽车研发制造领域，具体步的CAE建模方法，
骤如下：获取半轴零件各热处理影响区尺寸和硬度，通过所述半轴零件各热处理影响区尺寸确定半轴零件有限元网格；获取半轴装配有限元模型，通过所述半轴零件各热处理影响区硬度确定半轴零件各热处理影响区材料属性数据；通过所述半轴零件各热处理影响区材料属性数据和所述半轴零件有限元网格确定半轴零件有限元模型材料属性数据；获取有限元模型边界条件及载荷条件，确定汽车半轴CAE仿真分析模型的建立。本发明提出了可通过CAE仿真计算获得高精度的零件应力状态，从而获得高精度的汽车半轴强度耐久性能关键参数，具有适应性强、应用范围广的特点。
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权 利 要 求 书
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1.一种提高汽车半轴仿真精度的CAE建模方法，其特征在于，所述建模方法具体步骤如下：
步骤S10，获取半轴零件各热处理影响区尺寸和硬度，通过所述半轴零件各热处理影响区尺寸确定半轴零件有限元网格；
步骤S20，获取半轴装配有限元模型，通过所述半轴零件各热处理影响区硬度确定半轴零件各热处理影响区材料属性数据；
步骤S30，通过所述半轴零件各热处理影响区材料属性数据和所述半轴零件有限元网格确定半轴零件有限元模型材料属性数据；
步骤S40，获取有限元模型边界条件及载荷条件，通过所述半轴装配有限元模型、半轴零件有限元模型材料属性数据、有限元模型边界条件及载荷条件，确定汽车半轴CAE仿真分析模型的建立。
2.根据权利要求1所述的一种提高汽车半轴仿真精度的CAE建模方法，其特征在于，所述步骤S20的具体过程如下：
步骤S201，获取半轴装配有限元模型；步骤S202，通过所述半轴零件各热处理影响区硬度获取半轴各热处理影响区材料强度极限；
步骤S203，通过所述半轴各热处理影响区材料强度极限确定真实应力；步骤S204，通过所述真实应力确定总应变数据；步骤S205，通过所述总应变数据和真实应力确定半轴零件各热处理影响区材料应力应变关系曲线；
步骤S206，通过所述半轴零件各热处理影响区材料应力应变关系曲线确定半轴零件各热处理影响区材料属性数据。
3.根据权利要求1所述的一种提高汽车半轴仿真精度的CAE建模方法，其特征在于，所述步骤S30的具体过程如下：
步骤S301，获取零部件有限元模型材料的弹性模量和泊松比；步骤S302，通过所述半轴零件有限元网格和半轴零件各热处理影响区材料属性数据确定材料塑性属性；
步骤S303，通过所述材料塑性属性、零部件有限元模型材料的弹性模量和泊松比确定半轴零件有限元模型材料属性数据。
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说 明 书
一种提高汽车半轴仿真精度的CAE建模方法
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技术领域
[0001]本发明公开了一种提高汽车半轴仿真精度的CAE建模方法，属于汽车研发制造领域。
背景技术
[0002]CAE仿真分析作为预报汽车零部件应力分布、静强度、疲劳寿命等性能的关键技术，已广泛应用于产品开发中。汽车半轴是将差速器半轴齿轮与轮毂连接起来的部件，相较于汽车变速器等其他传动系统总成的CAE分析，汽车半轴因零件数量少、仿真模型装配规模小等特点，网格单元类型及尺寸、边界条件等仿真分析条件都可采用高精度仿真方案，因此，材料属性的差异，成为了影响汽车半轴仿真精度的最重要因素。[0003]在汽车半轴CAE仿真分析建模方法中，材料属性一般有两种建模方法，一是假定材料为线弹性材料并进行各种工况下的应力计算，但对于应力超出材料屈服极限的工况，其计算结果与实际应力状态差异悬殊，需根据经验公式对应力结果进行修正，但会造成较大的累积计算误差，仿真精度较差；二是基于材料试棒的拉伸试验数据，构建材料弹塑性本构关系，但因试棒与真实半轴的热处理状态不一致，导致材料试棒的试验数据并不能完全代表汽车半轴真实零件的材料属性，从而使CAE仿真精度较差。[0004]为有效避免上述问题，需要基于汽车半轴真实热处理状态，确定一种构建汽车半轴真实材料属性的CAE建模方法，以有效提高汽车半轴CAE仿真精度。[0005]山东大学的徐扬在《全浮半轴应力分析及静扭破坏极限载荷数值模拟》中：①使用与半轴相同表面硬度的材料试件进行试验，获得材料本构关系并用于数值模拟计算，但试件的有效硬化层深度并不能与半轴完全一致，试件本构关系不能精确代表半轴零件的材料状态；②作者未建立半轴数值模拟的整体模型，其在实验中发现半轴花键处强度薄弱，亦未进行分析；③其数值模拟所使用材料属性均依赖于已有半轴零件取样之后的试验数据，无法在汽车半轴设计初期对零部件强度及耐久性能进行准确预测。专利《一种四驱变速器差速器的有限元建模分析方法》中，虽介绍了有限元建模方法，但其所有建模方法中并未涉及如何根据零件热处理状态建立相应的模型，且其装配方式方法并不适用于汽车半轴的CAE计算。专利《一种梯度材料宏观等效弹性模量的计算方法》中，发明了梯度材料宏观等效弹性模量及泊松比理论计算方法，但仅适用于增材制造领域的材料过渡区，与汽车半轴CAE分析相关性甚微。专利《变强度材料的有限元建模方法》中，提出的适用于板壳型零件的变强度材料有限元建模方法，并不适用于诸如汽车半轴此类实体型零件仿真分析，且其特点是发明了过渡区屈服强度连续曲线，方法中未涉及材料强度极限、应力应变关系等其他材料强度耐久性能的参数。
发明内容
[0006]本发明的目的在于解决现有汽车半轴CAE仿真分析建模方法中累积计算误差以及仿真精度较差的问题，提出一种提高汽车半轴仿真精度的CAE建模方法，可通过CAE仿真计
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算获得高精度的零件应力状态，从而获得高精度的汽车半轴强度耐久性能关键参数实现既快捷方便、又可提高仿真精度的CAE建模方法。
[0007]本发明所要解决的问题是由以下技术方案实现的：[0008]一种提高汽车半轴仿真精度的CAE建模方法，包括：[0009]步骤S10，获取半轴零件各热处理影响区尺寸和硬度，通过所述半轴零件各热处理影响区尺寸确定半轴零件有限元网格；[0010]步骤S20，获取半轴装配有限元模型，通过所述半轴零件各热处理影响区硬度确定半轴零件各热处理影响区材料属性数据；[0011]步骤S30，通过所述半轴零件各热处理影响区材料属性数据和所述半轴零件有限元网格确定半轴零件有限元模型材料属性数据；[0012]步骤S40，获取有限元模型边界条件及载荷条件，通过所述半轴装配有限元模型、半轴零件有限元模型材料属性数据、有限元模型边界条件及载荷条件，确定汽车半轴CAE仿真分析模型的建立。[0013]优选的是，所述步骤S20的具体过程如下：[0014]步骤S201，获取半轴装配有限元模型；[0015]步骤S202，通过所述半轴零件各热处理影响区硬度获取半轴各热处理影响区材料强度极限；
[0016]步骤S203，通过所述半轴各热处理影响区材料强度极限确定真实应力；[0017]步骤S204，通过所述真实应力确定总应变数据；[0018]步骤S205，通过所述总应变数据和真实应力确定半轴零件各热处理影响区材料应力应变关系曲线；[0019]步骤S206，通过所述半轴零件各热处理影响区材料应力应变关系曲线确定半轴零件各热处理影响区材料属性数据。[0020]优选的是，所述步骤S30的具体过程如下：[0021]步骤S301，获取零部件有限元模型材料的弹性模量和泊松比；[0022]步骤S302，通过所述半轴零件有限元网格和半轴零件各热处理影响区材料属性数据确定材料塑性属性；[0023]步骤S303，通过所述材料塑性属性、零部件有限元模型材料的弹性模量和泊松比确定半轴零件有限元模型材料属性数据。
[0024]本发明相对于现有而言具有的有益效果：[0025]1、通过将半轴零件按热处理影响区尺寸分层创建有限元网格，可获得CAE仿真计算高精度的零件应力状态，从而进一步获得高精度的汽车半轴强度耐久性能关键参数。[0026]2、本发明通过查阅相关标准以及经验公式计算获得有限元分析材料属性，无需进行试棒试验，可有效减少物理样机试验、降低产品开发费用、缩短设计周期。[0027]3、本发明所涉及的汽车半轴可以是全浮式半轴、半浮式半轴等结构形式，半轴可以采用调质处理后感应淬火工艺，亦可以是正火处理后感应淬火工艺，因此本发明具有适应性强、应用范围广的特点。
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附图说明
[0028]图1是本发明具体实施方式提供的汽车半轴装配结构示意图；[0029]图2是图1中汽车半轴零件2结构示意图；[0030]图3是图2中半轴花键A区域放大图；[0031]图4是图3中半轴花键E-E断面处，按热处理影响区尺寸分组及网格划分示意图；[0032]图5是图2中半轴杆部B位置断面处，按热处理影响区尺寸分组及网格划分示意图；[0033]图6是图2中半轴轴径过渡区域C处网格划分示意图；[0034]图7是图2中半轴倒圆角区域D处网格划分示意图。
[0035]图8是本发明具体实施例中汽车半轴材料应力应变关系曲线。
具体实施方式
[0036]以下根据附图1-8对本发明做进一步说明：
[0037]下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0038]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0039]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0040]本发明第一实施例在现有技术的基础上提供了一种提高汽车半轴仿真精度的CAE建模方法，包括：[0041]步骤S10，获取半轴零件各热处理影响区尺寸和硬度，通过所述半轴零件各热处理影响区尺寸确定半轴零件有限元网格。[0042]步骤S101，本实施例中半轴采用预调质处理后表面感应淬火热处理工艺，表面淬火层硬度(52-58)HRC、芯部硬度为(25-32)HRC、有效硬化层深度为(4.0-6.0)mm。[0043]步骤S102，本实施例中，半轴花键A、杆部B、轴径过渡区C、倒圆角区域D表面淬火层硬度均取下限值52HRC、芯部硬度取中值28.5HRC、有效硬化层深度均取中值5mm。[0044]步骤S103，本实施例中，采用二阶四面体单元C3D10M与一阶六面体单元C3D8I混合建模，如图1-3所示，其中汽车半轴2、支撑轴承4、轴承卡环5采用一阶六面体C3D8I单元进行网格划分，其余零件采用二阶四面体单元C3D10M进行网格划分。[0045]步骤S104，分别对半轴齿轮1、汽车半轴2、桥壳凸缘3、支撑轴承4、轴承卡环5等零件进行网格划分。[0046]步骤S105，上述S104中，对汽车半轴2进行网格划分时，需根据S102中确认的各热处理影响区尺寸分区域划分网格，并将网格归入不同的有限元组件中：对半轴花键A表面淬
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火层Z01、芯部Z02进行网格划分，并将网格分别归入Z01组件与Z02组件，如图4所示；对半轴杆部B表面淬火层Z03、芯部Z04进行网格划分，并将网格分别归入Z03件与Z04件，如图5所示。
[0047]步骤S106，半轴花键A表面淬火层Z01、半轴杆部B表面淬火层Z03其径向网格分布应不少于4层；半轴花键A芯部Z02、半轴杆部B芯部Z04外侧网格应与表面淬火层内侧网格节点一一对应。
[0048]步骤S107，半轴轴径过渡区C、倒圆角区D网格分布应不少于3排，如图6、图7所示。[0049]S20，获取半轴装配有限元模型，通过所述半轴零件各热处理影响区硬度确定半轴零件各热处理影响区材料属性数据。[0050]步骤S201，按各零件相互之间的位置关系定义接触关系如下表1所示，将所有零件装配在一起，建立汽车半轴装配有限元模型。[0051]表1零件之间装配关系
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[0053]
步骤S202，根据《GB/T1172-1999黑色金属硬度及强度换算值》，结合半轴材料牌
号，由S101中的半轴零件各区域材料硬度，换算半轴各热处理影响区材料强度极限，其中表面淬火层Z01、Z03强度极限σ芯部Z02、Z04强度极限σb为1825MPa，b为880MPa。[0055]步骤S203，由S202中获取的半轴各热处理影响区强度极限值σ确定真实应力σ的b，取值范围为(0～n×σ其中强度极限放大系数n取值1.15，因此表面淬火层Z01、Z03真实b)，
应力取值范围为(0～2099MPa)、芯部Z02、Z04真实应力取值范围为(0～1012MPa)。[0056]步骤S204，对表面淬火层Z01、Z03的材料，真实应力步长取50MPa，则数据采样点N为42个；对芯部Z02、Z04的材料，真实应力步长取25MPa，则数据采样点N为41个。[0057]步骤S205，将S204中一系列真实应力σ数值，带入公式(1)(2)(3)计算，可获得相应的总应变ε数据，以真实应力σ为纵坐标、以总应变ε为横坐标，将各热处理影响区对应材料的的应力应变(σ-ε)数据点进行拟合，即可获得应力应变关系曲线，如图8所示。
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ε＝εε (1)0+1
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式中，ε为总应变、εε弹性模量E取值212000MPa、表面淬0为弹性应变、1为塑性应变，
火层材料硬化系数K取值2938.25MPa、芯部材料硬化系数K取值为1416.8MPa，硬化指数n均为0.11、σ为真实应力。[0062]步骤S206，提取S205中的材料塑性属性值(真实应力σ与塑性应变ε1)并记录至数据表2中，为有限元模型所需材料塑性数据做准备。[0063]表2材料塑性属性数据
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S30，通过所述半轴零件各热处理影响区材料属性数据和所述半轴零件有限元网
格确定半轴零件有限元模型材料属性数据[0067]S301，设置半轴齿轮1、支撑轴承4、轴承卡环5材料为弹性属性，弹性模量E＝210000MPa、泊松比μ＝0.3。[0068]S302，设置桥壳凸缘3材料为弹性属性，弹性模量E＝175000MPa、泊松比μ＝0.3。[0069]S303，设置半轴各热处理影响区(Z01、Z02、Z03、Z04)为塑性属性，弹性模量E＝212000MPa、泊松比μ＝0.28，应力-塑性应变数据按表2对应材料取值，当材料塑性应变ε1小于1×10-4时，将其直接取为0，并以此组应力-塑性应变数据作为材料塑性属性起始值。半轴法兰的材料属性与芯部材料相同。[0070]S304，最后将各零件或区域的材料属性赋予相对应的组件，完成有限元模型中材料属性设置。[0071]S305，根据计算工况来确定边界条件及载荷条件，并施加在有限元模型中。以半轴扭转计算工况为例：[0072]首先，在半轴齿轮1处建立RBE3单元，其从点定义在半轴齿轮的中心，主点选择半轴齿轮齿面上的网格节点，并在RBE3单元从点处施加旋转自由度约束。[0073]其次，在桥壳凸缘3的螺栓孔处约束全部平动自由度。[0074]最后，在半轴2的法兰处建立RBE3单元，其从点定义在半轴法兰中心点，主点选择半轴法兰螺栓孔内侧网格节点，并在此RBE3单元从点施加扭转载荷。[0075]S306，设置计算分析步以及输出选项，完成汽车半轴CAE仿真分析模型的建立。[0076]尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
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