【正文】 研室老師的熱情關(guān)心和幫助。致 謝本設(shè)計(jì)是在我的導(dǎo)師文少波老師的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，在我的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)的工作中無不傾注著導(dǎo)師辛勤的汗水和心血。月牙口出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂。2．有限元分析：主要完成了橋殼的強(qiáng)度計(jì)算和自由條件下的模態(tài)分析。第七章 全文總結(jié)本文主要對某中型商用車整體式后橋橋殼的靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行分析和研究。 本章小結(jié)本章的模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的一種技術(shù)，通過它可以得到固有頻率和振型等振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。 第十三階固有頻率及位移云圖第十三階模態(tài)振型，固有頻率為1374Hz，其模態(tài)振型表現(xiàn)為沿Z軸的彎曲和X軸的壓縮的疊加振動(dòng)，和臺(tái)架試驗(yàn)的振動(dòng)方向一致。其模態(tài)振型表現(xiàn)為橋殼沿X軸向方向左右的拉伸振動(dòng)，和臺(tái)架試驗(yàn)的振動(dòng)方向一致。第八階模態(tài)振型表現(xiàn)為橋沿Y軸方向上下彎曲振動(dòng)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。： 十四階各固有頻率從上圖中可以看到，前六階固有頻率為0或幾乎為0，所以前六階為剛體模態(tài)。(2) 子空間法：它使用子空間迭代技術(shù)，內(nèi)部使用廣義Jacobl迭代算法，采用完整的質(zhì)量、剛度矩陣，精度很高，但計(jì)算速度較慢，常用于精度要求高，但無法選擇自由度的情形，特別適用于大型對稱特征值問題。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。建立用模態(tài)參數(shù)表示的振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程并確定其模態(tài)參數(shù)的過程就是模態(tài)分析。通過它可以得到系統(tǒng)的固有頻率和振型等振動(dòng)特性，固有頻率表明在哪些激振頻率下結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生共振，振型則表明結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在各階固有頻率下所對應(yīng)的變形。來自橋殼內(nèi)部零部件和外部環(huán)境的激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)，將影響到整車的動(dòng)態(tài)性能。(3) 最大側(cè)向力狀況下， mm/m，滿足有關(guān)規(guī)定。表51 優(yōu)化前后位移比較X方向位移(mm)Y方向位移(mm)Z方向位移(mm)等效位移(mm)改進(jìn)前改進(jìn)后減少（%）由表51可知，優(yōu)化后的支撐架在X、Y、Z三個(gè)方向的位移和驅(qū)動(dòng)橋的等效位移均有較大降低。 等效應(yīng)力云圖由以上所有應(yīng)力云圖可以看出，最大應(yīng)力為165MPa，與許用應(yīng)力400MPa要小，故滿足條件。 等效位移云圖查看第一主應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為139MPa。： 最大側(cè)向力時(shí)橋殼受力簡圖和約束(2) 結(jié)構(gòu)分析查看。 等效應(yīng)力云圖從以上所有應(yīng)力圖中可以看出最大應(yīng)力為117MPa，比需用應(yīng)力400MPa小，所以滿足要求。 等位移力云圖查看第一主應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為107MPa。 結(jié)果優(yōu)化通過增加橋殼的橫截面尺寸實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，將其增加到160mm150mm，： 優(yōu)化后的UG模型的橫截面查看優(yōu)化后的模型X軸方向的位移。 第一主應(yīng)力分布云圖查看第二主應(yīng)力分布，第二主應(yīng)力最大值為290MPa。 X軸方向位移云圖。 最大縱向力工況(1) 由于最大牽引力=40398N，最大制動(dòng)力F=21623 N，因而只需要校核最大牽引力的工況。 第一主應(yīng)力云圖查看第二主應(yīng)力分布。橋殼不能出現(xiàn)斷裂和塑性變形。 X方向位移云圖查看Y方向位移, 。在體積強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度中，又可以各自分為靜強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度。(2) 對有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度分析求解，強(qiáng)度是機(jī)械零件正常工作必須滿足的最基本的要求。在本次強(qiáng)度分析中選用第四強(qiáng)度理論。按照這類假說，無論簡單或復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，引起失效的因素是相同的，即造成失效的原因與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，這類假說稱為強(qiáng)度理論。如以普通碳鋼為代表的塑性材料，以發(fā)生屈服現(xiàn)象、出現(xiàn)塑性變形為失效的標(biāo)志；脆性材料，以鑄鐵為代表的脆性材料，失效現(xiàn)象則是突然斷裂。選用單元類型為SOLID185實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，它是高階三維8節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)沿XYZ方向的平移自由度，具有任意空間的各向異性。否則，單元之間須用多點(diǎn)約束等式或約束單元進(jìn)行約束處理。(5)網(wǎng)格分界面和分界點(diǎn)：結(jié)構(gòu)中的一些特殊界面和特殊點(diǎn)應(yīng)分為網(wǎng)格邊界或節(jié)點(diǎn)以便定義材料特性、物理特性、載荷和位移約束條件，即應(yīng)使網(wǎng)格形式滿足邊界條件特點(diǎn)，而不應(yīng)讓邊界條件來適應(yīng)網(wǎng)格形式。劃分網(wǎng)格時(shí)網(wǎng)格質(zhì)量要達(dá)到某些指標(biāo)要求。但高階單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，在網(wǎng)格數(shù)量相同的情況下由高階單元組成的模型規(guī)模要大得多，因此在使用時(shí)應(yīng)權(quán)衡考慮計(jì)算精度和時(shí)間。劃分疏密不同的網(wǎng)格主要用于應(yīng)力分析(包括靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力)，而計(jì)算固有特性時(shí)，則趨于采用較均勻的網(wǎng)格形式，這是因?yàn)楣逃蓄l率和振型主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度分布，不存在類似應(yīng)力集中的現(xiàn)象，采用均勻網(wǎng)格可使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大，可減小數(shù)值計(jì)算誤差。采用疏密不同的，網(wǎng)格劃分，既可以保持計(jì)算精度，又可減少網(wǎng)格數(shù)量。在熱分析中，若結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度梯度不大，不需要大量的內(nèi)部單元，這時(shí)可劃分較少的網(wǎng)格。如果計(jì)算應(yīng)力，則在精度要求相同的情況下應(yīng)取相對較多的網(wǎng)格。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以比較兩種網(wǎng)格劃分的計(jì)算結(jié)果。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)權(quán)衡兩個(gè)因素綜合考慮。因此，有限元分析的計(jì)算速度和結(jié)果準(zhǔn)確度直接受分析模型與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)力學(xué)特性符合程度的影響[18,19]。這樣不僅要求每個(gè)單元與對應(yīng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)之間幾何類型(即幾何的逼真性)一致，而且要求單元傳遞力和傳遞運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特性(即力學(xué)特性的逼真性)相一致。 做邊倒圓模型 將模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分 驅(qū)動(dòng)橋有限元模型的建立在有限元法中，連續(xù)體結(jié)構(gòu)被看作是由有限個(gè)單元通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)連接而成的計(jì)算模型。 驅(qū)動(dòng)橋橋殼草圖 (2) 通過拉伸命令形成橋殼部分實(shí)體，拉伸距離為130mm。(7) 具有良好的用戶介面，絕大多數(shù)功能都可通過圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)；進(jìn)行對象操作時(shí)，具有自動(dòng)推理功能；同時(shí)，在每個(gè)操作步驟中，都有相應(yīng)的提示信息，便于用戶做出正確的選擇。(5) 出圖功能強(qiáng)，可十分方便地從三維實(shí)體模型直接生成二維工程圖。另外它所提供的二次開發(fā)語言UG/OPen GRIP，UG/open API件具有以下特點(diǎn)：(1) 具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，真正實(shí)現(xiàn)了CAD/CAE/CAM等各模塊之間的無數(shù)據(jù)交換的自由切換，可實(shí)施并行工程。UG NX系統(tǒng)提供了一個(gè)基于過程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境，使產(chǎn)品開發(fā)從設(shè)計(jì)到加工真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成，從而優(yōu)化了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造。代入得:F= 汽車受最大側(cè)向力時(shí)的橋殼受力分析最大側(cè)向力時(shí)，縱向力即為零，此時(shí)意味著汽車發(fā)生了側(cè)滑。 rr為驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑,代入得：Pmax= 560Fxi=Fxo=Pmax/2=20199 N 汽車緊急制動(dòng)時(shí)的橋殼受力分析此工況為汽車滿載緊急制動(dòng)時(shí)的工況, 不考慮側(cè)向力。Tmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩560N根據(jù)汽車的參數(shù)選得：以解放牌平頭式載貨汽車，車輛型號(hào)為CA1108PK212為例,發(fā)動(dòng)機(jī)為CA4DF216，其額定功率：117KW 2300r/min。ZL=b/(a+b) (31)ZR=a/(a+b) (32) 式中：ZL， ZR——分別是施加在左、右鋼板彈簧座上的載荷，N；G——后橋殼滿載軸荷，N；a——左邊鋼板彈簧座中點(diǎn)與橋殼中央點(diǎn)的距離，m；b——右邊鋼板彈簧座中點(diǎn)與橋殼中央點(diǎn)的距離，m；對于左右對稱的橋殼(本文所研究的橋殼模型為左右對稱結(jié)構(gòu)，a=b)ZL= ZR=(33)由查文獻(xiàn)得，該車滿載時(shí)后軸的重量為整車重量的70%，故：ZL= ZR=（4850+5000）P=F/S=104/(10080106 )= MPa 橋殼承受最大牽引力工況汽車滿載在以最大牽引力行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩工作，橋殼主要承受垂向力和最大牽引力。第三章 驅(qū)動(dòng)橋橋殼結(jié)構(gòu)受力及強(qiáng)度分析 本商用車主要參數(shù)本文主要對中型商用車驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度進(jìn)行分析。(3) 橋殼動(dòng)載荷分析:求得橋殼和彈簧系統(tǒng)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。通過對驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元計(jì)算，既可以分析驅(qū)動(dòng)橋殼的變形、應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度及剛度等情況，也可以比較各種設(shè)計(jì)方案，在滿足強(qiáng)度和剛度要求的條件下，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出可行的措施和建議。通過詳細(xì)的有限元分析，可以仿真與校驗(yàn)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。(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。 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(jì)中的運(yùn)用有限元法運(yùn)用在汽車設(shè)計(jì)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(dòng)作用。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(qiáng)度分布，或預(yù)測水對振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率。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。4. 動(dòng)力學(xué)分析ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)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。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(shí)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(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。這里把連續(xù)體分成有限個(gè)單元的過程，稱之為離散化。尤其在計(jì)算機(jī)和計(jì)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(shí)而又非常有效的選擇[8,13]。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(jìn)行計(jì)算的場問題，這使有限單元法獲得了一個(gè)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。50年代英國航空教授阿吉里斯(Argyris)和他的同事運(yùn)用網(wǎng)格思想成功地進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。第二章 有限元法理論及其在汽車設(shè)計(jì)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(diǎn)的數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法(FEM，F(xiàn)inite Element Method)。提高齒輪及其它傳動(dòng)零件的加工精度，增強(qiáng)齒輪的支承剛度，采用運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無噪音的雙曲面齒輪做主減速器齒輪，增強(qiáng)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(dòng)橋工作噪音的有效措施。但斷開式驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。例如汽車在以一定速度通過顛簸不平的道路時(shí)的應(yīng)力、位移；汽車在受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)的應(yīng)力、位移以及這些量隨時(shí)間和載荷變化的情況。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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，哪些部位強(qiáng)度不夠，以便對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。即產(chǎn)品系列化、零部件通用化、零件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。(5) 在保證足夠的強(qiáng)度、剛度條件下，質(zhì)量應(yīng)盡量小，以改善汽車平順性。因此，設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)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(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。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。它的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是在檢查主減速器和差速器的技術(shù)狀況或拆裝時(shí)，不用把整個(gè)驅(qū)動(dòng)橋從車上拆下來，因而維修比較方便，普遍用于各類汽車。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋殼的使用壽命直接影響汽車的有效使用壽命。(3)通過橋殼的有限元分析過程的實(shí)現(xiàn)，總結(jié)ANSYS軟件進(jìn)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。普通非斷開式驅(qū)動(dòng)橋，結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、工作可靠。在用戶使用前，我們運(yùn)用有限元法對已設(shè)計(jì)制造的驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行有限元分析，將大大提高驅(qū)動(dòng)橋殼開發(fā)、設(shè)計(jì)、分析和制造[4]。產(chǎn)品的類型和結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，對汽車產(chǎn)品的可靠性和安全性的要求也越來越高。因此，關(guān)于橋殼強(qiáng)度的研究就成了車輛零部件破壞研究的重中之重。驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度且質(zhì)量小,并便于主減速器的拆裝和調(diào)整。近些年來，許多人員利用有限元法對驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算和動(dòng)態(tài)分析。通常在提高橋殼強(qiáng)度的方案選擇上，大體上有三種觀點(diǎn)：。在國外，20世紀(jì)70年代前后，這種方法就逐漸為汽車零件的強(qiáng)度分析所采用，對汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度分析也不例外。因此，以往的設(shè)計(jì)基本上是依賴于經(jīng)驗(yàn)和類比，缺乏建立在力學(xué)特性(強(qiáng)度、剛度等)分析基礎(chǔ)上的科學(xué)判據(jù)，設(shè)計(jì)方法有待提高。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(shè)計(jì)、制造和改進(jìn)過程中仍主要依靠傳統(tǒng)的手段。為保證驅(qū)動(dòng)橋橋殼變型設(shè)計(jì)的可行性和工作的可靠性，在設(shè)計(jì)過程中必須對其應(yīng)力分布、變形和關(guān)鍵部位的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算和校核[1]。同時(shí)，通過減小橋殼質(zhì)量，進(jìn)而也減小了非簧載質(zhì)量，這樣可使車身振動(dòng)頻率降低，而車輪振動(dòng)頻率升高，這對減少共振、改善汽車的平順性是有利的。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(shí)間長，工藝不成熟等問題，目前還不適合在主要承載結(jié)構(gòu)上使用。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。我國也將汽車工業(yè)確定為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車工業(yè)[1]是一個(gè)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(guān)工業(yè)產(chǎn)業(yè)。s important