【正文】 ................................ 7 驅(qū)動橋殼的受力計算 .......................................... 8 最大垂向力工況 ......................................... 9 最大牽引力工況 ........................................ 10 最大制動力工況 ........................................ 11 最大側(cè)向力工況 ........................................ 11 本章小結(jié) ................................................... 12 3 驅(qū)動橋殼幾何模型與有限元模型的建立 .............................. 13 驅(qū)動橋殼幾何模型的建立 ..................................... 13 有限元分析方法 ............................................. 16 有限元分析簡介 ....................................... 16 有限元分析在汽車設(shè)計中的應(yīng)用 ......................... 18 ANSYS 簡介 ............................................ 19 ANSYS 中建立橋殼的有限元模型 ............................... 20 4 驅(qū)動橋殼的靜力分析 .............................................. 23 幾種典型工況下的靜力分析 ................................... 24 最大垂向力工 況 ........................................ 24 最大牽引力工況 ........................................ 25 最大制動力工況 ........................................ 26 最大側(cè)向力工況 ........................................ 27 本章小結(jié) ................................................... 28 5 驅(qū)動橋殼的模態(tài)分析 ............................................... 29 模態(tài)分析 .............................................. 29 驅(qū)動橋殼的自由模態(tài)分析 ..................................... 30 驅(qū)動橋殼的約束模態(tài)分 析 ..................................... 32 本章小結(jié) ................................................... 35 6 驅(qū)動橋殼的輕量化設(shè)計 ............................................. 35 輕量化方案的確定 ........................................... 36 改進后模型的有限元分析 ..................................... 36 改進后橋殼的靜力分析 .................................. 36 改進后橋殼的模態(tài)分析 .................................. 37 本章小結(jié) ................................................... 38 7 總結(jié)與展望 ....................................................... 39 本文的主要內(nèi)容 ............................................. 39 后續(xù)研究展望 ............................................... 39 謝辭 .............................................................. 40 [參考文獻 ] ........................................................ 40 1 某載貨車驅(qū)動橋殼有限元分析 摘要 ： 汽車驅(qū)動橋殼是汽車上的關(guān)鍵部件之一 ,不僅是承載件與傳力件 ,同時也是主減速器、差速器及半軸等裝置的外殼。汽車驅(qū)動橋殼使用頻率很高，使用工況復(fù)雜，故障率較高。這樣設(shè)計出來的驅(qū)動橋殼，往往采用傳統(tǒng)材料，用料多，重量大，結(jié)構(gòu)的靜強度往往很富裕，而可靠性卻沒有把握。這不僅能夠解決企業(yè)在設(shè)計和生產(chǎn)過程中的實際問題，為企業(yè)對其產(chǎn)品的設(shè)計、制造、檢驗和優(yōu)化改造提供實 際的參考和指導(dǎo)，還能夠幫助企業(yè)提高產(chǎn)品的設(shè)計水平，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，為企業(yè)在提高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。在國外，上世紀七十年代前后 ,有限元法就逐漸地應(yīng)用于汽車零部件的開發(fā)和設(shè)計工作中 [7]。 橋殼輕量化國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 汽車 的 輕量化 ，就是在保證汽車的結(jié)構(gòu)強度和安全性能的基礎(chǔ)上，最大限度地降低整車質(zhì)量，以提高汽車的 動力性 ，改善燃油經(jīng)濟性，降低 排氣污染 。對橋殼進 行輕量化設(shè)計，一個很重要的方法就是采用 CAE 技術(shù)，在對橋殼進行靜力分析，動態(tài)分析以及疲勞分析。 研究內(nèi)容與技術(shù)路線 本課題研究目標是學(xué)習 ANSYS 軟件，掌握有限元分析方法，對某載貨車的驅(qū)動橋殼進行靜態(tài)和動態(tài)分析，并對該驅(qū)動橋殼進行優(yōu)化設(shè)計。它與從動橋殼一同支承各總成重量，承受車輪傳來的來自路面的反作用力和力矩。由于制造工藝不同，整體式橋殼又可分為鑄造整體式、鋼板沖壓焊接式和鋼管擴張成形式三種。本文中半軸釆用的支承型式是全浮式。不考慮切向力和側(cè)向力 ,在這兩種載荷總的作用下 ,橋殼承受的力為 （ gGw22） kd ，橋殼所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力 ?wd 為 ??wjdwd k? （ 23） 式中： kd — 動載荷系數(shù) ,對轎車、客車取 。當汽車所承受的側(cè)向力達到地面給車輪的側(cè)向反作用力的最大值時，汽車處于臨界狀態(tài)，側(cè)向力一旦超過側(cè)向附著力，則汽車將產(chǎn)生側(cè)滑。 首先，作出橋殼本體部分的草圖： 圖 驅(qū)動橋殼本體部分二維草圖 由于驅(qū)動橋殼是對稱結(jié)構(gòu)，故可以先做出一半模型，最后使用鏡像命令，驅(qū)動橋殼的一半模型為： 15 圖 驅(qū)動橋殼一半模型 上圖中，橋殼本體的厚度為 15mm。 （ 2）省去了橋殼后端蓋。 后處理：后處理包括輸出位移和應(yīng)力云圖，根據(jù)各種失效準則，諸如允許的最大偏移、材質(zhì)的疲勞強度等指標來比較有限元分析結(jié)果。如果有這樣一種分析工具，可以在試制樣品之前就對詳細設(shè)計得到的產(chǎn)品方案進行仿真模擬，及時發(fā)現(xiàn)和改進問題，就能有效地消除設(shè)計中的盲目 性，基本上能夠在詳細設(shè)計過程中就擬定最終的比較可靠的產(chǎn)品方案。 有限元分析在汽車設(shè)計中的應(yīng)用 CAE 作為一項跨學(xué)科跨行業(yè)的數(shù)值模擬分析技術(shù)，越來越受到科技界和工程界的重視，在汽車工業(yè)研究中的應(yīng)用也越來越廣泛。 （ 3）碰撞與安全性分析。熱分析的類型包括相變、內(nèi)熱源、熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射。建立驅(qū)動橋殼的有限元模型需進行如下步驟： （ 1） 導(dǎo)入三維模型。高階單元具有節(jié)點數(shù)多，精度更高的特點。 對于本文中討論的驅(qū)動橋殼，選取 solid185 和 solid187 兩種實體單元。所劃分的網(wǎng)格如下如下： 22 圖 橋殼網(wǎng)格劃分 （ 3）定義材料屬性。本文中涉及的載荷形式主要是集中力、扭矩和均布載荷。云圖上還標出了最大應(yīng)力和最大等效位移的大小和發(fā)生的位置，這為校核橋殼的強度和剛度提供了參考。 最大制動力工況 汽車以最大制動強度制動時，在板簧支座處加載垂直向下的載荷和水平向前的載荷，在凸緣上施加制動力矩， ANSYS 計算可得 Mises 應(yīng)力分布云圖和等效位移分布云圖： 圖 Mises 應(yīng) 力分布云圖 27 圖 等效位移分布云圖 汽車緊急制動時，最大應(yīng)力發(fā)生在左右輪距處，大小為 184MPa，遠小于半軸套管的屈服強度。通過 ANSYS 的分析計算，可以看到本橋殼的強度和剛度均符合使用條件。對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析 ,ANSYS 軟件提供了七種實特征值提取方法來計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型 ,本文所選用的計算方法是分塊 Lanczos 法。利用 ANSYS 計算得到橋殼前 6階約束模態(tài)。 本章小結(jié) 本章對驅(qū)動橋殼進行了自由條件下的模態(tài)分析和約束條件下的模態(tài)分析，得到了橋殼的各階固有頻率和振型。取橋殼的質(zhì)量為目標變量，通過迭代運算，使橋殼質(zhì)量達到最小值。相較于改進前，橋殼的最大等效位移變大，達到了 ，但還是滿足輪距變化不超過 要求。 （ 3）使用 CATIA 建立了某載貨車的驅(qū)動橋殼模型，并在 ANSYS 中對其進行靜力分析和模態(tài)分析，驗證了橋殼是否符合使用要求。 40 謝辭 近三個月的 畢業(yè)設(shè)計接近尾聲，這三個月的畢設(shè)經(jīng)歷，既讓我體會到了學(xué)術(shù)研究的艱辛，也讓我品嘗到了做出成果的喜悅。 沒有困難重重時的艱苦求索，就沒有靈光一現(xiàn)時的豁然開朗。學(xué)術(shù)研究中沒有坦途。 首先要特別感謝劉俊老師。 后續(xù)研究展望 由于時間倉促，個人能力不足，研究內(nèi)容存在一些缺憾，另外還有很多工作沒有進行，主要包括： （ 1）橋殼的三維模型經(jīng)過了較多的簡化處理，結(jié)果可能不夠精確，所以模型的建立應(yīng)更加精細。 改進后橋殼的模態(tài)分析 對改進后的模型進行模態(tài)分析，求出其各階固有頻率，判斷橋殼是否會在路面激勵下發(fā)生共振。 也可以使用經(jīng)驗設(shè)計的方法，在綜合分析的基礎(chǔ)上，主觀選取設(shè)計變量 的值，對改進后的模型的進行有限元分析，驗證該方案的可行性。 36 6 驅(qū)動橋殼的輕量化設(shè)計 輕量化方案的確定 輕量化設(shè)計是優(yōu)化設(shè)計的一種形式，要求在部件滿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。這是因為，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)固有頻率相對于自由固有模態(tài)偏高 。 ANSYS 模態(tài)分析主要包含以下幾個基本步驟： （ 1） 建立有限元模型 （ 2） 加載及求解 （ 3） 擴展模態(tài) （ 4） 觀察結(jié)果和后處理 圖 ANSYS模態(tài)分析設(shè)置窗口 30 驅(qū)動橋殼的自由模態(tài)分析 為了反應(yīng)驅(qū)動橋殼的剛體位移，不對橋殼施加任何位移約束，對其進行自由模態(tài)分析。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，此值遠遠小于半軸套管的屈服強度。橋殼的較大等效位移集中于橋殼中央，最大等效位移是 ，滿足輪距變化小于 。 最大垂向力工況 當汽車在不平的道路上行駛時，取 倍的滿載載荷對驅(qū)動橋殼進行加載，經(jīng)ANSYS 計算可得 Mises 應(yīng)力分布云 圖和等效位移分布云圖： 圖 Mises 應(yīng)力分布云圖 25 圖 等效位移分布云圖 在模型兩側(cè)板簧座上加載垂直向下載荷，在靜載荷下，最大應(yīng)力發(fā)生在左側(cè)半軸套管的輪距處，大小為 335MPa，半軸套管變截面處存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值在 145MPa 至 335MPa 之間，遠小于半軸套管屈服強度。相應(yīng)的，可以針對不同的典型工況對橋殼施加載荷。半軸套管多采用 40Cr， 40MnB 等中碳