【正文】 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 38 圖 自由模態(tài)第一階單側(cè)橋殼斜向擺動(dòng)振型圖 圖 自由模態(tài)第六階單側(cè)橋殼上下擺動(dòng)振型圖 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 39 圖 自由模態(tài)第七階垂直 Y 軸 U 形彎曲振型圖 圖 自由模態(tài)第八階垂直 Z 軸 U 形彎曲振型圖 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 40 圖 自由模態(tài)第九階垂直 Z 軸 S 形扭 轉(zhuǎn)振型圖 圖 自由?？紤]到驅(qū)動(dòng)橋殼 在實(shí)際工作狀態(tài)中是受到約束的，所以本課 題在下面的模態(tài)分析中，對驅(qū)動(dòng)橋殼也進(jìn)行了約束模態(tài)的分析 ， 并且在不同的約束情況下對驅(qū)動(dòng)橋殼頻率的影響比較。在計(jì)算自由模態(tài)時(shí)，不加約束與力。橋殼結(jié)構(gòu)雖然左右對稱，但是模態(tài)分析是分析整個(gè)結(jié)構(gòu)的特性，因此模態(tài)分析的模型應(yīng)該是完整橋殼的模型。在自由振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)的振幅 ??? 不可能全為零，因而式（ ）必有其系數(shù)行列式為零。因此，橋殼就由無限多自由度系統(tǒng)變成有限多自由度系統(tǒng)。模態(tài)分析的應(yīng)用可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面： 1） 評價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特 性 通過對結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，求得結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)參數(shù)，從而評價(jià)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性是否符合要求，并檢驗(yàn)理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此研究驅(qū)動(dòng)橋殼是驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)的重要研究項(xiàng)目，也是研究汽車傳動(dòng)系振動(dòng)、噪聲控制和故障診斷的基礎(chǔ)。 3 9 2 0 0 1 .0 3 9 2 0 0 ( N )YFG ?? ? ? ? 圖 最大側(cè)向力工況邊界條件 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 32 橋殼的應(yīng)力圖和變形圖如下所示： 圖 最大側(cè)向力工況應(yīng)力圖 圖 最大側(cè)向力工況變形圖 由上圖可知，最大側(cè)向力工況下的最大應(yīng) 力發(fā)生在半軸套管臺(tái)階與法蘭盤兩端附近，最大值為 ， 小于許用應(yīng)力值 490MPa[19]。單側(cè)車輪承受所有載荷，包括垂直方向上后軸載重和最大 側(cè) 向力。如圖 ，真實(shí)最大應(yīng)力值為 ，滿足材料許用應(yīng)力值 。 單側(cè)車輪垂直方向上的作用力為： 2 0 . 7 4 0 0 0 9 . 8 1 3 7 2 0 ( N )22v mGF ??? ? ? 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 29 根據(jù)式（ ），切向最大制動(dòng)力為： 2 0 . 7 4 0 0 0 9 . 8 0 . 8 1 0 9 7 6 ( N )22Xb mGF ? ??? ? ? ? ? 約束和載荷 的施加如圖所示 ： 圖 最大制動(dòng)力工況 約束載荷圖 橋殼的 mises 應(yīng)力圖和變形圖如下所示： 圖 最大制動(dòng)力工況應(yīng)力圖 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 30 圖 最大制動(dòng)力工況變形圖 最大制動(dòng)力工況在應(yīng)力分布以及變形情況上，與前面所述的最大驅(qū)動(dòng)力工況比較類似。前者的出現(xiàn)是因?yàn)榉ㄌm盤徑向尺寸較大，造成線位移比較大，但這并不是分析所要研究的主要參數(shù)。 并且，這個(gè)局部應(yīng)力集中危險(xiǎn)點(diǎn)的產(chǎn)生是由于模型中出現(xiàn)尖角所致，不 是橋殼實(shí)際情況的 體現(xiàn)，從而并不會(huì)影響橋殼 實(shí)際的 正常工作。在 數(shù)值上，可以通過在應(yīng)力奇異點(diǎn)附近的區(qū)域選取一個(gè)合理點(diǎn)，得到其大致的真實(shí)最大應(yīng)力值。垂直力大小為： ? ?1 1 . 2 4 0 0 0 9 . 8 2 3 5 2 0 N22v mGF ??? ? ? 其中，汽車以最大驅(qū)動(dòng)力行駛 時(shí)驅(qū)動(dòng)橋負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù) m1=?！镀囼?qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)》規(guī)定 ，滿載時(shí) 橋殼 每米輪距最大變形限度為 。中間區(qū)域因?yàn)閳A弧過渡面的存在，有一個(gè)漸變的趨勢，所以也產(chǎn)生了應(yīng)力的較大分布。根據(jù)式（ ），施加的載荷大小為： m a x 4 0 0 0 9 . 82 . 5 2 . 5 4 9 0 0 0 ( N )22v GF ?? ? ? ? ? 對應(yīng)的 約束和載荷 施加圖如下： 圖 沖擊載荷工況 約束 與 載荷圖 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 24 驅(qū)動(dòng)橋殼在沖擊載荷工況計(jì)算所得的 mises 應(yīng)力圖和變形圖如下： 圖 沖擊載荷 mises 應(yīng)力圖 圖 沖擊載荷變形圖 從 mises 應(yīng)力圖上可以看出，應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在加載的鋼板彈簧座與 約束半軸套 管 之 間；其次，在中間圓形開口邊緣以及圓弧過渡曲面上的應(yīng)力分布也比較大。solid187 單元是一個(gè)高階 3 維 10 節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元， solid187 具有二次位移模式可以更好的模擬不規(guī)則的模型，如圖 。 此時(shí)運(yùn)用 “ contact sizing” 功能鍵可專門對接觸面進(jìn)行網(wǎng)格大小的控制，得到想要的網(wǎng)格大小，提高計(jì)算的精度。 ANSYS Workbench提供 了 四面體單元和六面體單元兩種單元類型。 UG 和 ANSYS Workbench 之間良好的數(shù)據(jù)交換接口 ， 為 CAD 模型導(dǎo)入提供了順暢 的平臺(tái)。 這樣 既有利于簡化建模，也有利于有限元模型建立過程中提取界面，便于網(wǎng)格劃分； 2） 忽略各裝配孔 、 鋼板彈簧座中心孔等幾何特征； 3） 對半軸套管和橋殼中間段進(jìn)行整體建模，不采用裝配方式組合； 4） 簡化受力小而又引起截面突變的部分，如忽略半軸套管 的 次要臺(tái)階等； 5） 對橋殼主體采用等厚處理，中間牙包區(qū)域原本復(fù)雜的不規(guī)則曲面采用旋轉(zhuǎn)曲湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 21 面代替 。 驅(qū)動(dòng)橋承受的側(cè)向力為： 1YFG??? （ ） 式中 ： YF 是驅(qū)動(dòng)橋殼的承受的側(cè)向力； G 是汽車滿載靜止驅(qū)動(dòng)橋所承受的載荷；1? 是側(cè)滑附著系數(shù)，取值為 。當(dāng)它達(dá)到地面給輪 胎的側(cè)向反作用力的最大值 ， 即側(cè)向附著力時(shí)，汽車處于側(cè)滑的臨界狀態(tài) 。 3） 最大制動(dòng)力工況 此 種情況 為汽車滿載緊急制動(dòng)時(shí)的工況，不考慮側(cè)向力。此時(shí)不考慮側(cè)向力和切向力，取 倍動(dòng)載荷系數(shù)，載荷均勻施加在兩個(gè)鋼板彈簧座上面。 驅(qū)動(dòng)橋殼靜力分析典型工況 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 19 驅(qū)動(dòng)橋殼在行駛中受力 情 況比較復(fù)雜，承受的力主要有垂直力、切向力（牽引力和制動(dòng)力）和側(cè)向力。靜強(qiáng)度是指靜力時(shí)的強(qiáng)度；動(dòng)強(qiáng)度是指動(dòng)載荷作用下的強(qiáng)度。零件強(qiáng)度分體積強(qiáng)度和面積強(qiáng)度 。強(qiáng)度是指構(gòu)件或零部件在確定外力作用下，不發(fā)生破裂或過量塑性變形，即構(gòu)件或零件抵抗破壞的能力。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 18 3 驅(qū)動(dòng)橋殼靜力分析 汽車驅(qū)動(dòng)橋殼是汽車上的主要承載構(gòu)件之一，其形狀復(fù)雜，而 且 汽車的 行駛 條件如道路情況、氣候條件及車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等又是千變?nèi)f化的，因此要精確地計(jì)算汽車行駛時(shí)作用于橋殼各處應(yīng)力的大小 是很困難的 。考慮到驅(qū)動(dòng)橋殼主要工作部位的殼體特征，采用 UG 軟件提供的抽殼操作，留取 5mm 的橋殼實(shí)際厚度。 2） 結(jié)構(gòu)上 去掉了許多起安 裝及其它作用的小孔 、 槽 、 倒角、圓角，以及輪轂軸兩端的螺紋等。所謂裝配就是根據(jù)橋殼的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各部件的位置關(guān)系，利用 UG 提供的裝配模塊組合各部件。而此處橋殼的曲面形狀比較復(fù)雜，難以一次完成。而每一部分的幾何構(gòu)成元素又是各不相同的，所以造成其涉及到的幾何建模方法也比較復(fù)雜。 6） UG/裝配建模模塊 ， 它提供了并行的、自上而下的產(chǎn)品開發(fā)方法。 2） UG/實(shí)體建模模塊，它將基于約束的特征建模和顯式幾何模型方法無縫的結(jié)合起來，提供了當(dāng)今 CAD/CAM 軟件界最強(qiáng)有力的 “ 復(fù)合建模 ” 工具，使用戶可以充分利用集成于先進(jìn)的、基于特征環(huán)境中的傳統(tǒng)的實(shí)體、面、線框造型的優(yōu)勢。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 13 圖 增加庫零件參數(shù)圖 圖 完成零件庫圖 6） 通過查看生成的各個(gè)零件的參數(shù)表達(dá)式是完全符合第 5 步電子表格中所給的數(shù)據(jù)，這說明此部件族已經(jīng)成 功創(chuàng)建，并且這些零件都是可以調(diào)用。 再次結(jié)合 UG 軟件參數(shù)化建模的特點(diǎn)來確定合適的建模方法 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 12 2） 創(chuàng)建參數(shù)化模型 。 UG 的參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)不僅僅是表現(xiàn)在各零部件相互影響的基礎(chǔ)上，它在零件設(shè)計(jì)本身也有很多優(yōu)點(diǎn)，它可以和電子表格建立連接接口，建立一個(gè)部件族，可以很方便 地 生成和修改所需要的部件 [14]。 UG 的產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)技術(shù)和湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 11 手段，主要包括：全集成、全相關(guān)、前瞻性、數(shù)字樣機(jī)、快速反映機(jī)制和知識工程（ KBE）這 6 個(gè)方面。 CAD（ Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）一般是指工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為輔助工具，完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工程分析、繪圖等工作，并達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本的目的。它主要由沖壓成形的上下兩件橋 殼主件和四塊三角鑲塊、前后兩個(gè)加強(qiáng)環(huán)、一個(gè)后蓋以及兩端兩個(gè)半軸套管焊接而成，以及包括鋼板彈簧座、墊圈，銷等附件。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 10 2 驅(qū)動(dòng)橋殼的 CAD 建模 驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 本課題研究的對象是一款輕型汽車的驅(qū)動(dòng)橋殼，采用的是鋼板沖壓焊接的方式成形。因?yàn)榭紤]到這是兩個(gè)不同軟件之間的交換，所以模型的修復(fù)是一個(gè)細(xì)致反復(fù)的過程。 計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)以超乎想象的速度發(fā)展著，隨之帶來了工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的驚人變革。 CAE是以有限元數(shù)值計(jì)算為核心，將 CAD實(shí)體模型運(yùn)用于工程分析的技術(shù)。在工業(yè)技術(shù)革命的深入開展過程中， CAD先后出現(xiàn)了三維曲面造型和實(shí)體造型兩次重大技術(shù)變革，在 80年代又出現(xiàn)了基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型技術(shù)，它的特點(diǎn)為 ： 基于 特征 、 全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改。它不僅直接使用異構(gòu)CAD 系統(tǒng)的模型，而且建立 了 與 CAD 系統(tǒng)靈活的雙向參數(shù)互動(dòng)關(guān)系。所有與仿真工作相關(guān)的人、技術(shù)、數(shù)據(jù)在這個(gè)統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作，各類數(shù)據(jù)之間的交流、通訊和共享皆可在這個(gè)環(huán)境中完成。 ANSYS Workbench 簡介 ANSYS Workbench 是 ANSYS 公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境，解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程中 CAE 軟件的異構(gòu)問題。利用 ANSYS 優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，用戶可以確定最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；用 ANSYS 的拓?fù)鋬?yōu)化功能，用戶可以對模型進(jìn)行外型優(yōu)化，尋求物體對材料的最佳利用； 6） 可實(shí)現(xiàn)多場耦合功能。 ANSYS 使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一； 2） 強(qiáng)大的求解功能。 4） 優(yōu)化模塊 ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計(jì)允許優(yōu)化任何合理參數(shù) ，包括 形狀、應(yīng)力、自然頻率、溫度、磁勢等，可應(yīng)用于任何類型的分析（結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁），并且是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)電磁場、流場以及耦合場優(yōu)化的有限元分析。電磁場分析包括靜態(tài)電磁場，低頻時(shí)變電磁場和高頻時(shí)變電磁場分析。其功能包括：結(jié)果的彩色云圖 ， 等值線圖 ， 梯度 ， 矢量 ， 粒子流 ， 切片 ， 透明現(xiàn)實(shí) ，變形及動(dòng)畫顯示 ， BMP、 PS、 TIFF、 IIPGL、 WMF 等格式 圖片 的輸出與交換；計(jì)算結(jié)果的排序、檢索、列表及數(shù)字運(yùn)算；其他功能還包括優(yōu)化功能、子結(jié)構(gòu) 、 子模型等。通過 GUI 可以方便地交互訪問程序的各種功能、命令、用戶手冊和參考資料。 它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的 拉格朗日方程法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。 將優(yōu)化算法引入驅(qū)動(dòng)橋及其各元件的設(shè)計(jì)，可以減小部件體積、節(jié)省材料、優(yōu)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化傳動(dòng)零件的參數(shù)，使其設(shè)計(jì)更趨于科學(xué)合理。 3） 優(yōu)化算法 現(xiàn)代優(yōu)化算法包括禁忌搜索算法、模擬退火算法、遺傳算法和拉格朗日松弛算法等。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)認(rèn)為材料本身的性能 (強(qiáng)度 、 韌性 、 硬度等 )和所受到的應(yīng)力都是常量，以此為指導(dǎo)的產(chǎn)品偏于保守。 (3) 驅(qū)動(dòng)橋殼的響應(yīng)分析 諧響應(yīng)分析用于確定線性結(jié)構(gòu)承受隨時(shí)間按正弦 (簡諧 )規(guī)律變化的載荷時(shí)穩(wěn)定響應(yīng)的一種技術(shù) ； 褚志剛求得驅(qū)動(dòng)橋殼在垂直激勵(lì)作用下的響應(yīng)以及動(dòng)應(yīng)力，找到驅(qū)動(dòng)橋殼典型部位以及破壞的確切位置 [9]。兩種解的誤差很小，說明該理論分析方法完全可以應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)橋的模態(tài)分析中。 下面將結(jié)合一些學(xué)者在驅(qū)動(dòng)橋 殼上做的有限元研究成果來具體介紹一下有限元法在驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行分析、評估和校核中的應(yīng)用 ： (1) 驅(qū)動(dòng)橋殼垂直彎曲的靜力分析 主要是計(jì)算橋殼的垂直彎曲強(qiáng)度和