【正文】 剛體模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率為零。 建立模態(tài)分析有限元模型 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 36 本課題所進(jìn)行的模態(tài)分析，沿襲的是前面靜力分析的有限元模型，所以其單元類型和單元數(shù)并不發(fā)生變化。在模態(tài)分析中，將其看成是質(zhì)點(diǎn)、剛體及阻尼器構(gòu)成的系統(tǒng)，并將其離散成無(wú)限多個(gè)相互 彈性連接的剛體。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 34 4 驅(qū)動(dòng)橋殼的模態(tài)分析 汽車在行駛過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)橋殼既是承載件又是傳力件，主要承受路面不平度和輪胎 不平度所產(chǎn)生的激勵(lì)。 圖 最大 制 動(dòng)力工況局部 mises 應(yīng)力圖 最大側(cè)向力工況 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 31 最大側(cè)向力工況下，汽車處于側(cè)滑臨界工況，驅(qū)動(dòng)橋的全部載荷由側(cè)滑方向一側(cè)的車輪承擔(dān)。此工況下邊界條件施加情況類似于前面的最大驅(qū)動(dòng)力工況，載荷通過(guò)作用力偏置距離為輪胎半徑的方式加在兩端半軸套管上（ 與 切向力方向相反），約束鋼板彈簧座。 因此，滿足材料許用應(yīng)力值的要求。此時(shí)主要考慮橋殼湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 26 承受的垂直力和輪胎切向最大牽引力。 并且在法蘭盤處出現(xiàn)了材料厚度的變化，造成了其附近較薄區(qū)域的應(yīng)力相對(duì)比較大。solid186 是一個(gè)高階 3 維 20 節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元， solid186 具有二次位移模式可以更好的模擬不規(guī)則的網(wǎng)（例如通過(guò)不同的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立的模型），如圖 。 有限元網(wǎng)格模型的建立是 進(jìn)行 有限元分析的先決條件，結(jié)果的可靠與否主要取決于計(jì)算的數(shù)學(xué)模型是否與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符合。 首先， CAD 建立幾何模型的初始階段，必須根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，在保持其力學(xué)性能不變的條件下，對(duì)橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下簡(jiǎn)化： 1） 將橋殼結(jié)構(gòu)中的圓角簡(jiǎn)化為直角 。 4） 最大側(cè)向力工況 當(dāng)汽車滿載高速急轉(zhuǎn)彎時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用于質(zhì)心處的很大的離心力，即側(cè)向力。下面我們對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的這幾種典型工況作詳細(xì)闡述 [16]： 1） 沖擊載荷工況 當(dāng)汽車高速通過(guò)不平路面時(shí)，橋殼除承受靜止?fàn)顟B(tài)下那部分載荷外，還承受附加的沖擊載荷。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。 靜力分析概述 靜力分析 包括 對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析這兩方面。對(duì)于中間空心梁區(qū)域的幾何特征，因?yàn)槭侨コ笊w的簡(jiǎn)化模型，所以采用基準(zhǔn)平面兩端偏置，在旋轉(zhuǎn)體上削去兩邊球冠。 完成了對(duì)各組成部分的建模步驟后，接下來(lái)要進(jìn)行的就是裝配過(guò)程。驅(qū)動(dòng)橋殼是一個(gè)裝配組件，涉及到多個(gè)小部件。 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是采用 UG 軟件進(jìn)行三維建模，因此有必要將在建模過(guò)程中經(jīng)常使用到的幾個(gè)模塊進(jìn)行介紹： 1） UG/入口模塊，它是連接所有 UG 模塊的基礎(chǔ)。 零件的形體分析 確定設(shè)計(jì)變量 和建模策略 對(duì)零件的各種參數(shù)進(jìn)行提取 結(jié)合零件按形狀確定哪些參數(shù)是自由的 ，哪些是固定值。 除上述之外， UG 也很容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新與開(kāi)發(fā)。 這里所涉及到的鋼板沖壓焊接驅(qū)動(dòng)橋殼，結(jié)構(gòu)上是一根空心梁。 2） 將 UG 模型導(dǎo)入 ANSYS Workbench 中，并且針對(duì)其中出現(xiàn)的幾何模型數(shù)據(jù)湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 9 丟失問(wèn)題進(jìn)行局部修復(fù)，比如刪除重合面，填補(bǔ)缺失體等。 CAD實(shí)體造型技術(shù)的發(fā)展又加速了計(jì)算機(jī)輔助工程 CAE的發(fā)展。這一特點(diǎn)也稱為 “實(shí)施性 ”； 2） 集成性： Workbench 把求解器看作一個(gè)組件，不論由哪個(gè) CAE 公司提供的求解器都是平等的，在 Workbench 中經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單開(kāi)發(fā)都可直接調(diào)用； 3） 參數(shù)化： Workbench 與 CAD 系統(tǒng)的關(guān)系不同尋常。 ANSYS 開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)使用戶可以利用 APDL 語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。 ANSYS 的主要技術(shù)特點(diǎn) ANSYS 作為一個(gè)功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件，其技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1） 數(shù)據(jù)統(tǒng)一。熱分析包括穩(wěn)態(tài)熱分析、瞬態(tài)熱分析、相變分析、和熱 結(jié)構(gòu)耦合分析。該程序使用了基于 Motif 標(biāo)準(zhǔn)的 GUI，可方便地訪問(wèn) ANSYS 的多種控制功能和選項(xiàng)。當(dāng)人們不滿足于常規(guī)算法求解復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，現(xiàn)代優(yōu)化算法開(kāi)始體現(xiàn)其作用。人們對(duì)隨機(jī)現(xiàn)象的研究由來(lái)己久，但其在工程中的應(yīng)用卻并非相伴而生。 陳朝陽(yáng)介紹了多輸入 /多輸出理論模態(tài)分析的基本方法 [8]，并用該方法對(duì)模型進(jìn)行了計(jì)算，得到其理論解；同時(shí)又對(duì)該模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到了實(shí)驗(yàn)解。例如，美國(guó)的機(jī)械研究所、萬(wàn)國(guó)汽車公司等，都曾經(jīng)使用有限元法計(jì)算過(guò)橋殼的 強(qiáng)度。有時(shí)還采用在橋殼上貼應(yīng)變片的電測(cè)方法，讓車輛在典型路段上滿載行駛或典型工況下工作，以測(cè)定橋殼的應(yīng)力。應(yīng)用有限元法，對(duì)車輛的所有結(jié)構(gòu)件、零部件，可以進(jìn)行剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性分析，可以進(jìn)行模態(tài)分析再現(xiàn)振動(dòng)模態(tài)，進(jìn)一步可以計(jì)算動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較真實(shí)地描繪出動(dòng)態(tài)過(guò)程。 為安全起見(jiàn)，一般要加大安全系數(shù)，這使得生產(chǎn)周 期延長(zhǎng)設(shè)計(jì)成本增加，而且生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品往往質(zhì)量過(guò)大。湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 I 畢業(yè)論文 輕型汽車 QX1060 驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 II 摘要 作為汽車的主要承載件和傳力件，驅(qū)動(dòng)橋殼承受了載貨汽車滿載時(shí)的大部分載荷， 而且還承受由驅(qū)動(dòng)車輪傳遞過(guò)來(lái)的驅(qū)動(dòng)力 、制動(dòng)力、側(cè)向力等，并經(jīng)過(guò)懸架系統(tǒng)傳遞給車架和車身。在本課題輕型汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，嘗試?yán)糜邢拊治?，在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段就通過(guò)建立橋殼的物理和數(shù)學(xué)模型，模擬橋殼在實(shí)際工作中的受載情況，對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，然后改進(jìn)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，進(jìn)行進(jìn)一步的分析改進(jìn)。有限元法在車輛設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用有 [1]： (1 ) 結(jié)構(gòu)靜力分析：分析計(jì)算車輛結(jié)構(gòu)與時(shí)間無(wú)關(guān)的應(yīng)力分布和變形關(guān)系，這湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 2 是在車輛設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的應(yīng)用。這些方法只有在有橋殼樣品的情況下才能使用，而且需要付出相當(dāng)大的人力、物力和時(shí)間。使用有限元法對(duì)車輛驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行強(qiáng)度分析，只要計(jì)算模型簡(jiǎn)化得合理，受力與約束條件處理恰當(dāng)，就可以得到比較理想的計(jì)算結(jié)果。兩種解的誤差很小，說(shuō)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。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。 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。通過(guò) GUI 可以方便地交互訪問(wèn)程序的各種功能、命令、用戶手冊(cè)和參考資料。電磁場(chǎng)分析包括靜態(tài)電磁場(chǎng)，低頻時(shí)變電磁場(chǎng)和高頻時(shí)變電磁場(chǎng)分析。 ANSYS 使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)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(chǎng)分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一； 2） 強(qiáng)大的求解功能。 ANSYS Workbench 簡(jiǎn)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(guò)程中 CAE 軟件的異構(gòu)問(wèn)題。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。 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)。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(guò)程。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。 UG 的產(chǎn)品創(chuàng)新開(kāi)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(shí)工程（ KBE）這 6 個(gè)方面。 再次結(jié)合 UG 軟件參數(shù)化建模的特點(diǎn)來(lái)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 。 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(wú)縫的結(jié)合起來(lái)，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(shì)。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。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?？紤]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。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(guò)量塑性變形，即構(gòu)件或零件抵抗破壞的能力。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。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。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) 。 這樣 既有利于簡(jiǎn)化建模，也有利于有限元模型建立過(guò)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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 。 ANSYS Workbench提供 了 四面體單元和六面體單元兩種單元類型。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 。中間區(qū)域因?yàn)閳A弧過(guò)渡面的存在，有一個(gè)漸變的趨勢(shì)，所以也產(chǎn)生了應(yīng)力的較大分布。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=。 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。 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。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。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)。因此，橋殼就由無(wú)限多自由度系統(tǒng)變成有限多自由度系統(tǒng)。橋殼結(jié)構(gòu)雖然左右對(duì)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?？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(duì)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(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼頻率的影響比較。位移模態(tài)由結(jié)構(gòu)的質(zhì)量決定，轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)由三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量決定。由 此可解得 n 個(gè)廣義特征值 i? （ i=1， 2， 3， … ， n） ,從而可求得 n 個(gè)固有圓頻率 i? ，由式（ ）可以確定 n 個(gè)節(jié)點(diǎn)振幅構(gòu)成的一個(gè)列向量，工程上稱為振型，其振幅構(gòu)成固定的形狀，絕對(duì)值可以任意改變。 5） 識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的載荷 模態(tài)分析理論 橋殼的實(shí)際構(gòu)件是一個(gè)自由度無(wú)限多的系統(tǒng)。最大變形出現(xiàn)在側(cè)滑端半軸套管的端部，其值湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 33 為 ， 每米輪距變形量為 ，符合 。半軸套管法蘭盤處最大變形量為 ，每米變形量 為 ,小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) ,滿足設(shè)計(jì)要求 。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 28 圖 最大驅(qū)動(dòng)力工況局部 mises 應(yīng)力圖 圖 最大驅(qū)動(dòng)力工況局部變形圖 最大制動(dòng)力工況 最大制動(dòng)力工況下，驅(qū)動(dòng)橋殼主要承受垂直方向力和切向最大制動(dòng)力。 橋殼的許用彎曲應(yīng)力為 300～ 500MPa， 許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為 150～ 400MPa，