【正文】 限元模型的建立 13 驅(qū)動(dòng)橋殼幾何模型的建立 13 有限元分析方法 15 有限元分析簡(jiǎn)介 15 有限元分析在汽車(chē)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 17 ANSYS簡(jiǎn)介 18 ANSYS中建立橋殼的有限元模型 194 驅(qū)動(dòng)橋殼的靜力分析 23 23 23 24 25 26 275驅(qū)動(dòng)橋殼的模態(tài)分析 28 28 29 31 346驅(qū)動(dòng)橋殼的輕量化設(shè)計(jì) 34 35 35 35 36 377總結(jié)與展望 38 38 38謝辭 39[參考文獻(xiàn)] 40 某載貨車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析摘要：汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼是汽車(chē)上的關(guān)鍵部件之一,不僅是承載件與傳力件,同時(shí)也是主減速器、差速器及半軸等裝置的外殼。驅(qū)動(dòng)橋殼在汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中處于末端，作為主減速器、差速器和驅(qū)動(dòng)車(chē)輪等傳動(dòng)裝置的外殼，它對(duì)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)起到了保護(hù)作用。同時(shí)，使用整車(chē)道路行駛試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)等各種實(shí)驗(yàn)方法來(lái)校核其應(yīng)力、變形量和疲勞壽命是否滿(mǎn)足要求。以某載貨車(chē)的驅(qū)動(dòng)橋殼作為研究對(duì)象，使用有限元仿真軟件ANSYS對(duì)橋殼進(jìn)行全面的分析和校核，以確保橋殼在各種復(fù)雜工況下都能安全使用[4]。有限元法是一種新興的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。并對(duì)橋殼進(jìn)行了厚度不變的拓?fù)鋬?yōu)化,然后對(duì)橋殼進(jìn)行了自由尺寸優(yōu)化,通過(guò)局部補(bǔ)強(qiáng)的方法使得橋殼的性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,最后確定了設(shè)計(jì)方案。驅(qū)動(dòng)橋殼質(zhì)量占整車(chē)質(zhì)量的比重較大，驅(qū)動(dòng)橋殼的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)整車(chē)的輕量化具有重要的意義。 （3）過(guò)度依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),或者按照主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)修改部件尺寸參數(shù),僅僅校核靜態(tài)條件下的強(qiáng)度和剛度就確定方案，對(duì)疲勞壽命和可靠性的研究較少，盲目性大。 有限元分析流程圖 2 驅(qū)動(dòng)橋殼的相關(guān)介紹及力學(xué)計(jì)算 驅(qū)動(dòng)橋殼簡(jiǎn)介驅(qū)動(dòng)橋殼是汽車(chē)上關(guān)鍵部件之一，既是傳力件又是承載件。其中整體式橋殼強(qiáng)度和剛度較大,主減速器拆裝調(diào)整方便，適用的貨車(chē)類(lèi)型較廣。半軸在輪端安裝形式不同，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)橋殼的受力情況也不一樣。則靜彎曲應(yīng)為: (22) 式中： M— 見(jiàn)式（21）； —危險(xiǎn)斷面處（鋼板彈簧座附近）橋殼的彎曲截面系數(shù)；當(dāng)汽車(chē)在不平路面上高速行駛時(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。下圖為汽車(chē)向右側(cè)滑時(shí)的受力簡(jiǎn)圖，根據(jù)該圖可求出驅(qū)動(dòng)橋側(cè)滑時(shí)左右地面對(duì)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的支承反力和側(cè)向力。半軸套管變截面的臺(tái)階結(jié)構(gòu)用于安裝兩對(duì)圓錐滾子軸承。 （3）忽略主減速器對(duì)于橋殼的支承作用。有限元分析方法的進(jìn)步誕生了新興的跨專(zhuān)業(yè)和跨行業(yè)的學(xué)科。CAE技術(shù)的引入就使得這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。運(yùn)用CAE技術(shù)，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)涉及到的疲勞、壽命、振動(dòng)、噪聲等強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)問(wèn)題，可較好地在設(shè)計(jì)階段解決，這樣就可以大幅度提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省大量開(kāi)發(fā)費(fèi)用。對(duì)建立的整車(chē)有限元模型進(jìn)行整車(chē)碰撞的模擬仿真，得到碰撞后車(chē)身的變形結(jié)果和碰撞過(guò)程中模型的能量與速度變化曲線(xiàn)。（3）ANSYS電磁分析。啟動(dòng)ANSYS，使用import命令將建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS中。如果結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布或變形較為復(fù)雜，可以?xún)?yōu)先選用高階單元。對(duì)于較為規(guī)則的實(shí)體模型，優(yōu)先選用六面體單元進(jìn)行劃分，既能提高計(jì)算精度，同時(shí)也能減小計(jì)算規(guī)模。關(guān)于橋殼材料，鑄造整體式、可分式及組合式橋殼的鑄件多采用可鍛鑄鐵（KT35010，KT37012）、球墨鑄鐵（QT40018）、鑄鋼（ZG45，多用于重型汽車(chē)的橋殼鑄件）；對(duì)于鋼板沖壓焊接整體式橋殼，多采用16MN、09SIV、35或40中碳鋼板。 前面已經(jīng)就汽車(chē)的四種典型工況對(duì)橋殼進(jìn)行了靜力計(jì)算，得到了橋殼的受力狀況。另外，ANSYS還允許查看橋殼上特定位置處的應(yīng)力大小，這為分析焊縫處的強(qiáng)度情況提供了方便。橋殼的較大等效位移集中于橋殼中央。幾種工況中，最大應(yīng)力發(fā)生在橋殼承受最大垂向力的工況下，為335MPa，此值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于半軸套管的屈服強(qiáng)度。 ANSYS模態(tài)分析主要包含以下幾個(gè)基本步驟：（1） 建立有限元模型（2） 加載及求解（3） 擴(kuò)展模態(tài)（4） 觀(guān)察結(jié)果和后處理 ANSYS模態(tài)分析設(shè)置窗口 驅(qū)動(dòng)橋殼的自由模態(tài)分析為了反應(yīng)驅(qū)動(dòng)橋殼的剛體位移，不對(duì)橋殼施加任何位移約束，對(duì)其進(jìn)行自由模態(tài)分析。這是因?yàn)?，受到約束以后，橋殼的整體自由度比受約束之前的自由度低，橋殼的剛度提高，使得約束模態(tài)固有頻率相對(duì)于自由固有模態(tài)偏高。 6 驅(qū)動(dòng)橋殼的輕量化設(shè)計(jì) 輕量化方案的確定輕量化設(shè)計(jì)是優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種形式，要求在部件滿(mǎn)足使用條件的情況下，最大限度地減輕質(zhì)量，減少材料的消耗，降低生產(chǎn)成本。也可以使用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，在綜合分析的基礎(chǔ)上，主觀(guān)選取設(shè)計(jì)變量的值，對(duì)改進(jìn)后的模型的進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證該方案的可行性。 改進(jìn)后橋殼的模態(tài)分析對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行模態(tài)分析，求出其各階固有頻率，判斷橋殼是否會(huì)在路面激勵(lì)下發(fā)生共振。 后續(xù)研究展望由于時(shí)間倉(cāng)促，個(gè)人能力不足，研究?jī)?nèi)容存在一些缺憾，另外還有很多工作沒(méi)有進(jìn)行，主要包括：（1）橋殼的三維模型經(jīng)過(guò)了較多的簡(jiǎn)化處理，結(jié)果可能不夠精確，所以模型的建立應(yīng)更加精細(xì)。首先要特別感謝劉俊老師。學(xué)術(shù)研究中沒(méi)有坦途。感謝王凱祺、包凱和李永奇同學(xué)，謝謝他們的支持與陪伴。（5）應(yīng)對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行其他工況下的分析以及疲勞壽命分析。全文的主要內(nèi)容包括（1）較全面地論述了本課題的研究背景和意義,介紹了有限元分析方法在驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)分析和輕量化方面的發(fā)展現(xiàn)狀。按照第四章中的形式對(duì)橋殼施加載荷和約束，經(jīng)ANSYS計(jì)算得到Mises 應(yīng)力分布云圖和等效位移分布云圖如下所示： Mises 應(yīng)力分布云圖 等效位移分布云圖由上圖可以看出，橋殼本體厚度減薄后，最大應(yīng)力仍然發(fā)生在左側(cè)半軸套管輪距處，大小為362MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于半軸套管的屈服強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思想是，定義設(shè)計(jì)變量（一般是結(jié)構(gòu)尺寸）和狀態(tài)變量（一般是應(yīng)力或應(yīng)變），通過(guò)迭代運(yùn)算，使目標(biāo)變量（如質(zhì)量或者體積）達(dá)到最值。汽車(chē)行駛時(shí),驅(qū)動(dòng)橋殼的振動(dòng)主要取決于車(chē)輪與路面間的相互作用力和汽車(chē)的振動(dòng),而路面不平度是引起橋殼振動(dòng)的主要原因。 驅(qū)動(dòng)橋殼的約束模態(tài)分析正常情況下，驅(qū)動(dòng)橋殼都是安裝在驅(qū)動(dòng)橋上，受到載荷和約束。由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定了結(jié)構(gòu)對(duì)于不同動(dòng)力載荷的響應(yīng)情況，所以在進(jìn)行其它動(dòng)力學(xué)分析之前首先要進(jìn)行模態(tài)分析[21]。橋殼的較大等效位移發(fā)生在橋殼本體右邊的部位。橋殼中部和板簧座附近應(yīng)力較為集中，但都在143MPa以下，遠(yuǎn)小于橋殼本體的屈服強(qiáng)度。施加載荷和約束對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。同時(shí)，希望半軸套管和板簧座處的網(wǎng)格稠密一些，橋殼本體部分的網(wǎng)格稀疏一些，在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)這些地方的網(wǎng)格大小進(jìn)行尺寸控制，可以達(dá)到要求。(4)網(wǎng)格質(zhì)量：網(wǎng)格質(zhì)量指的是網(wǎng)格幾何形狀的合理性。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增到達(dá)一定規(guī)模后，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)于提高精度的影響很小，但會(huì)極大地增加有限元分析的計(jì)算時(shí)間。（5）ANSYS耦合場(chǎng)分析，主要考慮兩個(gè)和多個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用，例如，在壓電力分析中，需要同時(shí)求解電壓分布（電場(chǎng)分析）和應(yīng)變（結(jié)構(gòu)分析）。ANSYS功能強(qiáng)大，主要可以進(jìn)行下列分析[19]：（1）結(jié)構(gòu)分析。有限元分析在汽車(chē)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用實(shí)踐證明其可以從根本上提高車(chē)身設(shè)計(jì)水平，并降低研制成本。 （3）CAE促進(jìn)了試驗(yàn)的發(fā)展，對(duì)試驗(yàn)方案的科學(xué)制定、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)點(diǎn)的最佳位置、儀表量程等的確定提供了更可靠的理論指導(dǎo)。在樣品的測(cè)試實(shí)驗(yàn)階段，甚至是產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)之后，如果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品不合格，就要重新對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。還利用簡(jiǎn)單而又相互作用的的元素（即單元），用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。對(duì)橋殼模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，一方面，可以減小建模的難度，另一方面也有利于對(duì)橋殼進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)省計(jì)算資源。 本章小結(jié)本章主要對(duì)橋殼的構(gòu)造、類(lèi)型、材料等進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并且分析了驅(qū)動(dòng)橋殼在最大垂向力、最大牽引力、最大制動(dòng)力、最大側(cè)向力等四種典型工況下的受力情況，為下章對(duì)橋殼的有限元模型施加載荷和約束提供了參考。（設(shè)地面對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋左右輪的垂向反力相等） 最大牽引力行駛時(shí)的受力簡(jiǎn)圖 （24） 式中：—汽車(chē)滿(mǎn)載靜止于水平地面時(shí)給地面的總載荷； —汽車(chē)質(zhì)心高度；而作用在左右驅(qū)動(dòng)車(chē)輪上的轉(zhuǎn)矩所引起的地面對(duì)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的最大切向反作用力（即汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力）為： （25）式中：—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，； —變速器一檔傳動(dòng)比； —驅(qū)動(dòng)橋的主減速比； —傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率； —驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的滾動(dòng)半徑； 最大制動(dòng)力工況 汽車(chē)緊急制動(dòng)時(shí)的受力情況如下圖所示： 汽車(chē)緊急制動(dòng)時(shí)的受力簡(jiǎn)圖則 （26）式中：g—重力加速度，m/s2 a—制動(dòng)加速度，m/s2因，故制動(dòng)加速度a為 a=g （27）其中表示制動(dòng)強(qiáng)度，當(dāng)汽車(chē)以最大的強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，該值取地面的附著系數(shù)，.由上面兩式，可求得橋殼的垂向力和縱向力。 最大垂向力工況橋殼如同一個(gè)空心橫梁，兩端經(jīng)輪轂軸承支承于車(chē)輪上。橋殼本體由鋼板沖壓而成，橋殼本體與凸緣之間，凸緣與半軸套管之間均采用焊接的方式相連接。足夠的強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼至關(guān)重要。 （3）對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格修改、材料屬性定義、施加約束載荷,建立驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元模型。山東大學(xué)的吳春虎、李方義[11]