【正文】 強度、剛度及模態(tài)等分析更是當今分析方法的必然選擇。本文對某中型商用車后橋橋殼結(jié)構(gòu)進行有限元建模和數(shù)值分析，希望所得的分析數(shù)據(jù)對驅(qū)動橋橋殼的研發(fā)設(shè)計有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。本文研究的對象是非斷開式驅(qū)動橋橋殼(也稱整體式橋殼)。普通非斷開式驅(qū)動橋，結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、工作可靠。文中利用UG軟件建立力學分析模型，利用基于ANSYS軟件的有限元方法對橋殼進行了靜力計算(垂直彎曲強度和剛度計算)和模態(tài)分析(計算橋殼的固有頻率及振型)。本課題開展以下幾個方面的研究工作：(1)學習和掌握UG軟件并建立驅(qū)動橋殼的幾何模型，熟悉和使用ANSYS操作界面，以驅(qū)動橋橋殼結(jié)構(gòu)為研究對象，并進行網(wǎng)格劃分、定義材料屬性和系統(tǒng)約束，為建立橋殼的有限元模型奠定基礎(chǔ)。(2)通過對橋殼的幾何模型的網(wǎng)格劃分，更深入理解模型假設(shè)和簡化的方法。(3)通過橋殼的有限元分析過程的實現(xiàn)，總結(jié)ANSYS軟件進行有限元靜力分析和模態(tài)分析的一般步驟和規(guī)范，并建立相應(yīng)的有限元分析工況。(4)對橋殼進行靜態(tài)分析(四種典型工況的分析：最大鉛垂力工況、最大牽引力工況、最大制動力工況和最大側(cè)向力工況)和模態(tài)分析(計算橋殼的振動模態(tài)和固有頻率)，分析所得的結(jié)果，通過對比驗證建立的有限元模型的合理性[2,3]。 汽車驅(qū)動橋橋殼概述驅(qū)動橋殼是汽車驅(qū)動橋的主要零件之一，作為主減速器、差速器和半軸的裝配基體，它是汽車的主要承載件和傳力件，支撐著汽車的荷重，并將載荷傳給車輪。在實際行使中，作用在驅(qū)動車輪上的牽引力、制動力、橫向力，也是經(jīng)過橋殼傳到懸掛及車架或者車廂上的。同時，驅(qū)動橋殼的使用壽命直接影響汽車的有效使用壽命。因此，合理地設(shè)計驅(qū)動橋殼，使其具有足夠的強度、剛度和良好的動態(tài)特性，減少橋殼的質(zhì)量，有利于降低動載荷，提高汽車行駛平順性和舒適性。 汽車驅(qū)動橋橋殼的分類特點驅(qū)動橋殼可分為整體式和分段式兩類。整體式橋殼是橋殼與主減速器殼分開制造，二者用螺栓連接在一起。它的結(jié)構(gòu)優(yōu)點是在檢查主減速器和差速器的技術(shù)狀況或拆裝時，不用把整個驅(qū)動橋從車上拆下來，因而維修比較方便，普遍用于各類汽車。分段式橋殼是橋殼與主減速器殼鑄成一體，且一般分為兩段由螺栓連成一體。這種橋殼易于鑄造，但維護主減速器和差速器時必須把整個橋拆下來，否則無法拆檢主減速器和差速器[1]。 驅(qū)動橋橋殼的作用驅(qū)動橋橋殼是汽車上重要的承載件和傳力件，作為具有廣泛應(yīng)用市場的非斷開式驅(qū)動橋的橋殼不僅支承汽車重量，將載荷傳遞給車輪，而且還承受由驅(qū)動車輪傳遞過來的牽引力、制動力、側(cè)向力、垂向力的反力以及反力矩，并經(jīng)懸架傳給車架或車身。并且在汽車行駛過程中，由于道路條件的千變?nèi)f化，橋殼受到車輪與地面間產(chǎn)生的沖擊載荷的影響，可能引起橋殼變形或折斷。因此，驅(qū)動橋殼應(yīng)具有足夠的強度、剛度和良好的動態(tài)特性，合理地設(shè)計驅(qū)動橋殼是提高汽車平順性的重要措施。 驅(qū)動橋機械傳動要求驅(qū)動橋是汽車傳動系統(tǒng)中主要總成之一。驅(qū)動橋的設(shè)計是否合理直接關(guān)系到汽車使用性能的好壞。因此，設(shè)計應(yīng)當滿足如下基本要求：(1) 選擇的主減速比應(yīng)能保證汽車具有最佳的動力性和燃料經(jīng)濟性。(2) 外形尺寸要小，保證有必要的離地間隙。(3) 齒輪及其它傳動件工作平穩(wěn)，噪聲小。(4) 在各種轉(zhuǎn)速和載荷下具有高的傳動效率。(5) 在保證足夠的強度、剛度條件下，質(zhì)量應(yīng)盡量小，以改善汽車平順性。(6) 與懸架導(dǎo)向機構(gòu)運動協(xié)調(diào)，對于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，還應(yīng)與轉(zhuǎn)向機構(gòu)運動相協(xié)調(diào)。(7) 結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝性好，制造容易，拆裝、調(diào)整方便。(8) 設(shè)計中應(yīng)盡量滿足“三化”。即產(chǎn)品系列化、零部件通用化、零件設(shè)計標準化。 結(jié)構(gòu)強度分析要求汽車后橋的結(jié)構(gòu)強度是保證汽車安全性、可靠性的重要指標，汽車后橋結(jié)構(gòu)強度分析也是CAE在汽車工程中應(yīng)用的一個重要方面。一般都是應(yīng)用有限元法對后橋的結(jié)構(gòu)進行數(shù)值計算，分析的內(nèi)容主要包括靜力分析、特征值分析以及瞬態(tài)動力分析。(1) 通過靜力分析可以得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移分布情況。通過這些分布情況可以判斷結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下是否安全、可靠，結(jié)構(gòu)的哪些部位會產(chǎn)生應(yīng)力集中，哪些部位強度不夠，以便對結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。(2) 通過特征值分析可以求得結(jié)構(gòu)的固有頻率以及相應(yīng)的振型。根據(jù)固有頻率和固有振型，可以幫助設(shè)計人員分析、查找引起結(jié)構(gòu)振動的原因，并通過改進結(jié)構(gòu)，避免發(fā)生共振。(3) 通過瞬態(tài)動力分析可以計算汽車結(jié)構(gòu)在動載荷作用下的應(yīng)力、位移等物理量的響應(yīng)情況。例如汽車在以一定速度通過顛簸不平的道路時的應(yīng)力、位移；汽車在受到?jīng)_擊載荷作用時的應(yīng)力、位移以及這些量隨時間和載荷變化的情況。 汽車后橋設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)后橋設(shè)計時應(yīng)注意以下三方面：(1) 滿足汽車行駛的平順性和通過性由于在汽車行駛過程中，驅(qū)動橋的受力情況復(fù)雜。非斷開式驅(qū)動橋的橋殼相當于受力復(fù)雜的空心梁，它必須有足夠的強度和剛度，同時還應(yīng)盡量減小其重量，在設(shè)計中應(yīng)妥善地解決這兩種之間的矛盾。對于斷開式驅(qū)動橋來說，由于其主減速器殼裝在車架或車廂上，這樣，主減速器、差速器、全部傳動軸的部分質(zhì)量都轉(zhuǎn)化為懸掛質(zhì)量，大大地減少了汽車的非懸掛質(zhì)量，加之又配以獨立懸架，因此顯著地提高了汽車行駛平順性。但斷開式驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對于很多汽車來說，常常會遇到坎坷不平的壞路面，特別是越野汽車有時還要通過無路區(qū)，為了避免驅(qū)動橋與地面或其上的凸起物相碰撞而使零件損壞或使汽車受阻，因此，驅(qū)動橋中部安裝減速器處的輪廓尺寸不應(yīng)太大，使之有足夠的離地間隙，以滿足汽車在通過性方面的要求。(2) 降噪技術(shù)的應(yīng)用隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速及汽車行駛速度的提高，降低汽車的噪音已成為汽車設(shè)計中的一個重要課題。驅(qū)動橋的噪音主要來自齒輪及其它傳動機件。提高齒輪及其它傳動零件的加工精度，增強齒輪的支承剛度，采用運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無噪音的雙曲面齒輪做主減速器齒輪，增強橋殼及主減速器殼的剛度以避免其受載變形后破壞齒輪的正確嚙合等等，都是降低驅(qū)動橋工作噪音的有效措施。(3) 零件的標準化、部件的通用化、產(chǎn)品的系列化隨著汽車工業(yè)的發(fā)展及汽車技術(shù)的提高，驅(qū)動橋的設(shè)計、制造工藝都日益完善。驅(qū)動橋也和其他汽車總成一樣，除了廣泛采用新技術(shù)外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中日益朝著“零件標準化、部件通用化、產(chǎn)品系列化”的方向發(fā)展及生產(chǎn)組織的專業(yè)化目標前進。應(yīng)采用能以幾種典型的零部件、以不同方案組合的設(shè)計方法和生產(chǎn)方式達到驅(qū)動橋產(chǎn)品的系列化或變型的目的，或力求做到將某一基型的驅(qū)動橋以更換或增減不多的零件，用到不同性能、不同噸位、不同用途并由單橋驅(qū)動到多驅(qū)動橋的變型汽車上。第二章 有限元法理論及其在汽車設(shè)計中的應(yīng)用 有限元法的概述 有限元法的發(fā)展歷史由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點的數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法(FEM，F(xiàn)inite Element Method)。有限元法是隨著電子計算機的應(yīng)用而發(fā)展起來的一種數(shù)值計算方法。它誕生于20世紀中葉，是根據(jù)變分原理求解數(shù)學物理問題的一種方法。有限元法是將連續(xù)體理想化為有限個單元集合而成，其基本思想——離散化概念早在40年代就已經(jīng)提出來了。50年代英國航空教授阿吉里斯(Argyris)和他的同事運用網(wǎng)格思想成功地進行了結(jié)構(gòu)分析。Courant等人的5組論文探討了早期有限元法的理論，促成了有限元法的誕生。在以后10年中有限單元法在國際上蓬勃發(fā)展起來。60年代中、后期國外數(shù)學家開始介入對有限單元法的研究，促使有限單元法有了堅實的數(shù)學基礎(chǔ)。1965年，辛柯威茨(O．C．Zienkiewicz)和同事Y．K．Cheung宣布，有限單元法適用于所有能按偏分形式進行計算的場問題，這使有限單元法獲得了一個更為廣泛的解釋，有限單元法的應(yīng)用也推廣到更廣闊的領(lǐng)域。隨著計算機技術(shù)和計算方法的發(fā)展，有限元法已成為計算力學和計算工程領(lǐng)域里最有效的計算方法，它幾乎適用于求解所有連續(xù)介質(zhì)和場的問題。在應(yīng)用領(lǐng)域，有限元法理論己經(jīng)從結(jié)構(gòu)理論逐步改進和推廣到連續(xù)力學的場問題中，比如在熱、流體、場等領(lǐng)域中。事實也證明，有限元方法從出現(xiàn)至今50多年間，其發(fā)展歷程經(jīng)歷了從線彈性到彈塑性到彈粘塑性，從解決小變形問題到大變形問題，從靜力問題到復(fù)雜的動力接觸問題、穩(wěn)定問題和波動問題。尤其在計算機和計算技術(shù)飛速發(fā)展并廣泛應(yīng)用的今天，這已經(jīng)成為較為現(xiàn)實而又非常有效的選擇[8,13]。 有限元方法的分析過程有限單元法是將連續(xù)的區(qū)域離散為一組有限個且按一定方式互相聯(lián)系在一起的單元的組合體。由于單元能按不同的方式進行組合，且單元本身又有不同的形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。有限單元法的基本原理以結(jié)構(gòu)力學中的位移法為基礎(chǔ)，把復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或連續(xù)體看成有限個單元的組合，各單元彼此在節(jié)點處聯(lián)結(jié)而組成整體。這里把連續(xù)體分成有限個單元的過程，稱之為離散化。先對單元特性進行分析，然后根據(jù)各單元在節(jié)點處的平衡和協(xié)調(diào)條件建立方程，綜合后作整體分析。這樣先離散再綜合的過程，就把連續(xù)體的計算問題轉(zhuǎn)化為簡單單元的分析與綜合問題。有限元法求解一個具體問題時，：幾何模型離散單元分析整體分析求解未知節(jié)點位移 有限元分析過程圖 有限元分析軟件ANSYS的簡介ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAD工具之一。ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。分析計算模塊包括以下幾個方面：1. 結(jié)構(gòu)靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析2. 結(jié)構(gòu)動力學分析結(jié)構(gòu)動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結(jié)構(gòu)動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機振動響應(yīng)分析。3. 結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。4. 動力學分析ANSYS程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運動特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。5. 熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。6. 電磁場分析主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計和分析領(lǐng)域。7. 流體動力學分析ANSYS流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應(yīng)。8. 聲場分析程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預(yù)測水對振動船體的阻尼效應(yīng)。9. 壓電分析用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對AC（交流）、DC（直流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析。可進行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析[6,13]。 有限元方法在汽車工業(yè)中的應(yīng)用 有限元法在汽車設(shè)計中的運用有限元法運用在汽車設(shè)計中，對企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短開發(fā)周期、降低成本具有積極的推動作用。有限元法在汽車設(shè)計中的主要應(yīng)用有：(1) 結(jié)構(gòu)靜力分析：分析計算汽車結(jié)構(gòu)與時間無關(guān)的應(yīng)力分布和變形關(guān)系，這是有限元法在汽車設(shè)計中最常見的應(yīng)用。(2) 結(jié)構(gòu)動力學分析：這又分為兩類問題。一類是用有限元法進行模態(tài)分析，求解汽車結(jié)構(gòu)本身的動態(tài)特性，如固有頻率、振型等；另一類是用有限元法進行強迫響應(yīng)分析，即求解得到汽車結(jié)構(gòu)在動載荷作用下的響應(yīng)，這比靜力分析更接近于實際工作情況。(3) 溫度場分析：分析汽車結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布以及熱應(yīng)力和熱變形的情況，包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)問題。(4) 流場分析：用有限元法求解汽車流體力學問題，如應(yīng)用于汽車的空氣動力學計算。(5) 汽車的斷裂力學、接觸力學以及汽車碰撞和被動安全性分析。(6) 車身內(nèi)的聲學設(shè)計：通過車身模態(tài)與整車模態(tài)的耦合，評價乘員感受的噪聲并進行噪聲控制。通過詳細的有限元分析，可以仿真與校驗產(chǎn)品在使用中的情況，以求把問題盡早體現(xiàn)出來，避免在制造及使用中發(fā)現(xiàn)問題而引起大返工，確保產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、可靠性、耐久性和維修性。這樣，可以在較短的時間內(nèi)，以較少的投資獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品[14]。 有限元分析在驅(qū)動橋設(shè)計中的應(yīng)用驅(qū)動橋橋殼工作受力情況復(fù)雜，而汽車的行駛條件如道路情況、氣候條件及車輛的行駛狀態(tài)等又是干變?nèi)f化的，因此在設(shè)計過程中必須對橋殼的應(yīng)力、變形、危險部位的應(yīng)力等進行計算和校核。有限元法已廣泛應(yīng)用到驅(qū)動橋殼設(shè)計中。通過對驅(qū)動橋殼的有限元計算，既可以分析驅(qū)動橋殼的變形、應(yīng)力、應(yīng)變、強度及剛度等情況，也可以比較各種設(shè)計方案，在滿足強度和剛度要求的條件下，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提出可行的措