【正文】 本科畢業(yè)設計說明書（論文）摘 要由于驅(qū)動橋殼是汽車的重要部件，所以驅(qū)動橋殼的使用壽命會直接影響汽車的有效使用壽命，故應具有足夠的強度、剛度和良好的動態(tài)特性。本論文首先利用Unigraphics軟件對驅(qū)動橋殼進行合理地三維建模，然后將其以Parasolid的格式導入ANSYS軟件并以靜、動態(tài)分析理論為基礎做有限元分析，得出橋殼在三種典型工況下的應力分布和變形結果以及在自由狀態(tài)下的14階固有頻率和振型。通過對驅(qū)動橋殼的力分析，找到了驅(qū)動橋殼最大應力和最容易引起斷裂的部位。最后，利用研究成果對驅(qū)動橋殼的結構和材料要求提出改進措施，并解決驅(qū)動橋殼斷裂問題。結果表明，該橋殼具有足夠的靜強度和剛度；最小非零固有頻率大于50Hz，不會引起橋殼共振。關鍵詞：驅(qū)動橋殼；Unigraphics； ANSYS；有限元分析ABSTRACTBeing the automobile39。s important part, automobile39。s effective service life is directly influenced by the driving axle housing. So it should have enough intensity, rigidity and dynamic characteristic.Firstly, the Unigraphics software is used to create a reasonable threedimensional model of the driving axle housing. Then, the model is imported to ANSYS software in Parasolid format .And then finite element analysis can be done on the basis of theory analysis of static and dynamic state. In this way, the stress distribution and deformation in three typical work axle housing cases can be drawn from the analysis. Meanwhile, 14 natural frequencies and mode shapes can also be drawn. Through analyzing the strength of the driving axle housing, the biggest stress spot of the driving axle housing can be found. Finally, using the results of the research, effective methods are used to improve the structure of the driving axle housing, and the requirements of materials, and to solve the fracture problems.The results show that the driving axle housing has enough static strength and stiffness。 the minimal nonzero inherent frequency is greater than 50Hz which won’t cause bridge shell resonance. Key words：Drive axle housing；Unigraphics；ANSYS；The finite element analysis目 錄第一章 緒 論 1 引言 1 研究背景 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 課題研究的意義和目的 3 課題的來源和主要研究內(nèi)容 4 汽車驅(qū)動橋橋殼概述 5 汽車驅(qū)動橋橋殼的分類特點 5 驅(qū)動橋橋殼的作用 5 驅(qū)動橋機械傳動要求 6 結構強度分析要求 6 汽車后橋設計的關鍵技術 7第二章 有限元法理論及其在汽車設計中的應用 8 有限元法的概述 8 有限元法的發(fā)展歷史 8 有限元方法的分析過程 8 有限元分析軟件ANSYS的簡介 9 有限元方法在汽車工業(yè)中的應用 10 有限元法在汽車設計中的運用 10 有限元分析在驅(qū)動橋設計中的應用 11第三章 驅(qū)動橋橋殼結構受力及強度分析 13 本商用車主要參數(shù) 13 驅(qū)動橋橋殼受力的典型計算工況 13 橋殼承受最大垂向力工況 14 橋殼承受最大牽引力工況 14 汽車緊急制動時的橋殼受力分析 15 汽車受最大側(cè)向力時的橋殼受力分析 15第四章 驅(qū)動橋殼三維模型的建立和網(wǎng)格劃分 17 UG軟件簡介 17 驅(qū)動橋殼三維建模的過程 18 驅(qū)動橋殼的簡化 18 三維建模 18 將模型導入ANSYS進行網(wǎng)格劃分 20 驅(qū)動橋有限元模型的建立 20 定義橋殼單元材料屬性 20 有限元模型網(wǎng)格劃分 20第五章 驅(qū)動橋殼的有限元靜力分析及其優(yōu)化 23 靜力分析介紹 23 23 驅(qū)動橋橋殼結構分析 24 最大垂向力工況 24 最大縱向力工況 29 結果優(yōu)化 33 最大側(cè)向力工況 38 42第六章 驅(qū)動橋橋殼的模態(tài)分析 44 模態(tài)分析的作用 44 ANSYS模態(tài)分析的方法 45 45 本章小結 50第七章 全文總結 51致 謝 52參 考 文 獻 53附錄A：英文資料 54附錄B：英文資料翻譯 63附錄：畢業(yè)設計光盤（1張）VII第一章 緒 論 引言汽車作為國民經(jīng)濟和現(xiàn)代生活中不可缺少的一種交通工具，問世百余年來，特別是從汽車產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)及汽車工業(yè)大發(fā)展以來，已為世界經(jīng)濟的大發(fā)展、為人類進入現(xiàn)代生活，產(chǎn)生了無法估量的巨大影響，掀起了一場劃時代的革命。人類社會及人們生活的“汽車化”，大大地擴大了人們?nèi)粘；顒拥姆秶铀倭说貐^(qū)間、國際間的交往，成倍地提高了人們外出辦事的效率，加快了人們的活動節(jié)奏，促進了世界經(jīng)濟的大發(fā)展，開創(chuàng)了現(xiàn)代“汽車社會”這樣一個嶄新的時代。汽車工業(yè)[1]是一個國家工業(yè)化水平的代表性產(chǎn)業(yè)，也是最典型的成熟性產(chǎn)業(yè)，它的興衰成敗決定和影響著一大批相關工業(yè)產(chǎn)業(yè)。汽車工業(yè)的振興能帶動相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展又支撐著汽車工業(yè)的振興。正是基于汽車工業(yè)的產(chǎn)業(yè)關聯(lián)度大、時代性強，特別是快速的技術創(chuàng)新步伐和高投入、高產(chǎn)出的規(guī)模經(jīng)濟之特點，汽車工業(yè)已成為世界公認的推動國民經(jīng)濟發(fā)展的火車頭。對于我們這樣一個發(fā)展中的國家來說，汽車已成為國民經(jīng)濟以及各項事業(yè)和人民生活、學習、工作、生產(chǎn)等活動中不可缺少的交通工具。我國也將汽車工業(yè)確定為國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。面對汽車產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，人類在使用汽車工具的同時也面臨著隨之而來的問題。目前，汽車每年的石油消耗量約占世界每年石油產(chǎn)量的一半以上。另外，汽車行駛中釋放的COx、NO、S0鉛微粒和碳微粒等有害物質(zhì)對人們的身體健康和生活環(huán)境造成了極大危害。隨著汽車保有量的增加，能源問題、公害問題、安全問題己成為汽車工業(yè)面臨的三大問題，其中能源問題最為突出。因此如何采用新技術、新材料、新工藝降低汽車耗油量，同時保證其良好的動力性、安全性和經(jīng)濟性己成為汽車工業(yè)發(fā)展的核心問題車輛輕量化是降低能量消耗，減少排放的最有效措施之一，并且減輕車輛自重還能夠減少原材料的消耗，降低車輛的生產(chǎn)成本。其中底盤輕量化是整個車輛輕量化的重要環(huán)節(jié)，而作為主要支承汽車荷重的驅(qū)動橋橋殼的輕量化研究是現(xiàn)在人們大量研究的課題之一。輕量化有兩種途徑，一是應用輕金屬、現(xiàn)代復合材料等低密度材料，達到減重目標；二是仍然使用鋼材，但對結構型式進行優(yōu)化，在保證承載能力和舒適性的前提下減輕質(zhì)量。其中第一種途徑減重效果尤其明顯，但存在研發(fā)成本高，時間長，工藝不成熟等問題，目前還不適合在主要承載結構上使用。后一種途徑能夠在應用現(xiàn)有材料(主要是鋼材)、工藝條件基本不變或新工藝技術易于獲得的情況下有效減輕質(zhì)量，因此更具有實際意義。一般非斷開式驅(qū)動橋、輪轂、制動器及制動鼓的總質(zhì)量，約占一般載貨汽車底盤質(zhì)量的1l％～16％(大致屬于帶雙級減速的驅(qū)動橋)，％～5％，對于重型貨車，所占比例更大。而普通的非斷開式驅(qū)動橋的質(zhì)量在很大程度上取決于橋殼的結構，因此，減少驅(qū)動橋橋殼的質(zhì)量是車輛輕量化的重要一條途徑。同時，通過減小橋殼質(zhì)量，進而也減小了非簧載質(zhì)量，這樣可使車身振動頻率降低，而車輪振動頻率升高，這對減少共振、改善汽車的平順性是有利的。驅(qū)動橋是汽車中的重要部件，它承受著來自路面和懸架之間的一切力和力矩，是汽車中工作條件最惡劣的總成之一，如果設計不當，會造成嚴重的后果。當今汽車制造業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是買方市場的形成和產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度日益加快。汽車產(chǎn)品開發(fā)的一個重要手段就是變型設計，即以現(xiàn)有產(chǎn)品為基礎，保持其基本結構和功能不變，對其局部結構、尺寸或配置進行一定范圍內(nèi)的變動和調(diào)整，以此快速形成適應市場需求的新產(chǎn)品。為保證驅(qū)動橋橋殼變型設計的可行性和工作的可靠性，在設計過程中必須對其應力分布、變形和關鍵部位的應力進行計算和校核[1]。 研究背景過去我國主要采用對橋殼樣品進行臺架試驗和整車行駛試驗來考核其強度和剛度，有時采用橋殼上貼應變片的電測方法，讓汽車在選定的典型路段上滿載行駛，以測定橋殼的應力；但這些方法都是在有橋殼樣品的情況下才能采用。傳統(tǒng)的驅(qū)動橋橋殼設計方法，是將其看成簡支梁并校核特定斷面的最大應力值。但這種方法不可避免的經(jīng)驗性、局限性和盲目性已經(jīng)暴露出來。有限元法的使用在我國制造業(yè)中起步較晚，目前普及還不是很廣，在汽車的設計、制造和改進過程中仍主要依靠傳統(tǒng)的手段。這一方面造成局部材料強度余量較大而又無法及早判斷出材料浪費程度的情況；另一方面對車輛實際使用過程中出現(xiàn)的局部強度不足的闖題，只能采取“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”的局部加強方案，而且需要進行多次全面的實車試驗才能確定其有效性。過去，國內(nèi)驅(qū)動橋橋殼設計主要采用的手段是參考傳統(tǒng)樣車或者舊車型的樣品模式，這種方法不僅費用大、試制周期長、經(jīng)驗多于實踐、缺乏科學性，而且也不可能對多種方案進行評價。驅(qū)動橋橋殼是一個十分復雜的結構，用經(jīng)典力學方法不可能得到精確的解答，特別是在設計初期，又不可能有實測數(shù)據(jù)。因此，以往的設計基本上是依賴于經(jīng)驗和類比，缺乏建立在力學特性(強度、剛度等)分析基礎上的科學判據(jù)，設計方法有待提高。有限元設計方法是迄今為止國內(nèi)、外使用最為普遍、最為經(jīng)濟有效的輔助手段，它所包括的有限元輔助設計、有限元輔助分析等一系列內(nèi)容，可極大地減少資源投入、縮短工作周期，而且在工作者認真細致的工作作風下，可保證較高的準確性和與實際情況十分理想的吻合程度。因而在汽車設計制造和改進過程中引入有限元法是十分必要的[6]。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀有限元法是一種現(xiàn)代化的結構計算方法。在國外，20世紀70年代前后，這種方法就逐漸為汽車零件的強度分析所采用，對汽車驅(qū)動橋殼的強度分析也不例外。例如，各斷面(彈簧座處、橋殼與半軸套管焊接處、輪轂內(nèi)軸承根部圓角處)的應力不應超過其材料的屈服極限。國內(nèi)也出現(xiàn)很多利用有限元軟件對驅(qū)動橋橋殼建模并進行強度和剛度計算的例子。借助以計算機技術為核心的現(xiàn)代設計方法使驅(qū)動橋殼設計更豐富深入合理。通常在提高橋殼強度的方案選擇上，大體上有三種觀點：。，提高橋殼抵抗破壞的能力。，提高橋殼的抗彎截面模量。許多專家對此問題做過深入研究，提出了寶貴的方案，但最終都傾向于從結構上解決問題。近些年來，許多人員利用有限元法對驅(qū)動橋殼結構進行靜力計算和動態(tài)分析。 課題研究的意義和目的汽車驅(qū)動橋殼(汽車后橋) 是汽車上的主要承載構件之一,其作用要有:支撐并保護主減速器、差速器和半軸等,使左右驅(qū)動車輪的軸向相對位置固定。同從動橋一起支撐車架及其上的各總成質(zhì)量。汽車行駛時,承受由車輪傳來的路面反作用力和力矩并經(jīng)懸架傳給車架等。驅(qū)動橋殼應有足夠的強度和剛度且質(zhì)量小,并便于主減速器的拆裝和調(diào)整。合理地設計橋殼也是提高汽車平順性和舒適性的重要措施。由于還必須保證車輛在加速、緊急制動和各種不同路面條件下的正常工作，所以橋殼是車輛上工作環(huán)境最惡劣的部件。根據(jù)經(jīng)驗，它們的損壞大部分都是由于外界激勵的頻率達到車橋固有頻率產(chǎn)生的共振引起的較大動應力而造成的。因此，關于橋殼強度的研究就成了車輛零部件破壞研究的重中之重。汽車的行駛狀態(tài)是復雜的，車橋要經(jīng)受各種復雜工況所產(chǎn)生的動態(tài)載荷，這些動態(tài)載荷產(chǎn)生的動應力往往比靜態(tài)應力大出很多倍，它們才是導致橋殼破壞的危險因素。研究驅(qū)動橋殼靜態(tài)和動態(tài)特性；有利于合理地減輕橋殼的質(zhì)量、降低動載荷，提高汽車行駛的平順性，具有重要的現(xiàn)實意義[3]。隨著科學技術的發(fā)展，汽車的設計和開發(fā)也日益向智能化、環(huán)保化(低排放、輕污染)、安全化以及結構設計輕量化的方向發(fā)展。產(chǎn)品的類型和結構也越來越復雜，對汽車產(chǎn)品的可靠性和安全性的要求也越來越高。本課題研究的目標是通過對某中型貨車的驅(qū)動橋橋殼結構進行強度分析、模態(tài)分析，校核橋殼結構在多種工況下的應力強度和變形剛度，計算出橋殼的固有頻率和振型，獲取結構的動態(tài)特性；針對橋殼強度不足導致易發(fā)生塑性變形，強度儲備較低，應力分布不合理等問題進行研究，為完善驅(qū)動橋殼設計提供一些數(shù)據(jù)參考。本課題的意義在于能夠為企業(yè)在降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的設計水平，從而提高企業(yè)核心競爭力方面提供思路和方法，具有較大的實際意義和經(jīng)濟價值。安全工作的也是一個重要方面。在用戶使用前，我們運用有限元法對已設計制造的驅(qū)動橋殼進行有限元分析，將大大提高驅(qū)動橋殼開發(fā)、設計、分析和制造[4]。 課題的來源和主要研究內(nèi)容綜上所述，驅(qū)動橋殼的設計分析水平對整車性能具有很大的影響，應用有限元法進行