【導(dǎo)讀】減速器、差速器及半軸等裝置的外殼。汽車驅(qū)動(dòng)橋殼必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度、動(dòng)態(tài)特性和疲勞壽命。本文以有限元靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析及機(jī)械結(jié)構(gòu)。建模，有限元分析到輕量化設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。首先建立了驅(qū)動(dòng)橋殼的三維簡(jiǎn)

　　

【正文】 向彎曲振型 31 圖 第九階繞 Y 軸扭轉(zhuǎn)振型 圖 第十階 X 向彎曲振型 圖 第十一階繞 Z 軸扭轉(zhuǎn)振型 32 圖 第十二階繞 X 軸扭轉(zhuǎn)振型 路面作用與汽車振動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)多屬于 O50HZ 的垂直振動(dòng) ,本文研究的驅(qū)動(dòng)橋殼前幾階模態(tài)固有頻率遠(yuǎn)大于此激勵(lì)范圍 ,因此不會(huì)發(fā)生由路面激勵(lì)引起橋殼共振的情況 ,橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理。 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。取一般情況下驅(qū)動(dòng)橋殼所受到的約束，即約束左右輪距處節(jié)點(diǎn) Y、 Z方向的位移，約束板簧座處節(jié)點(diǎn) X方向的位移和繞 X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。利用 ANSYS 計(jì)算得到橋殼前 6階約束模態(tài)。 表 前 6 階約束模態(tài)固有頻率 階次 1 2 3 4 5 6 固有頻率 (HZ) 由表中可見(jiàn)，由于受到約束，橋殼第一階固有頻率比自由模態(tài)下第一階固有頻率高。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。施加約束后，橋殼各階固有頻率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 050HZ的敏感頻率范圍，正常行駛工況下不會(huì)發(fā)生共 振，說(shuō)明橋殼的結(jié)構(gòu)較為合理。 約束模態(tài)下的各階振型如下所示： 33 圖 第一階 X 軸方向的彎曲 圖 第二階 Z 軸方向的彎曲 圖 第三階 Y 軸方向的彎曲 34 圖 第四階繞 Y 軸的扭轉(zhuǎn) 圖 第五階繞 Z 軸方向的扭轉(zhuǎn) 圖 第六階繞 X 軸方向的扭轉(zhuǎn) 35 由于上面施加的約束是驅(qū)動(dòng)橋殼最為普遍的約束狀態(tài)，因此所求出的各階頻率具有相當(dāng)?shù)拇硇浴Ｔ诟鞣N不同的工況下，橋殼的固有頻率可能會(huì)發(fā)生一定的變化，但各階固有頻率應(yīng)接近于上面所求出的頻率范圍。汽車行駛時(shí) ,驅(qū)動(dòng)橋殼的振動(dòng)主要取決于車輪與路面間的相互作用力和汽車的振動(dòng) ,而路面不平度是引起橋殼振動(dòng)的主要原因。汽車振動(dòng)系統(tǒng)承受路面作用的激勵(lì)多為 O 一 50Hz 的垂直振動(dòng) ,本文研究的驅(qū)動(dòng)橋殼前幾階模態(tài)固有頻率不在此范圍內(nèi) ,因此不會(huì)因路面激勵(lì)而引起橋殼的共振 ,橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理。 本章小結(jié) 本章對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)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。分析表明，橋殼的各階固有頻率均大于路面作用和汽車振動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)頻率，說(shuō)明正常工作條件下驅(qū)動(dòng)橋殼不會(huì)發(fā)生由路面和汽車振動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)所引起的共振，這對(duì)于保證汽車的平順性十分有利。 36 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。 由驅(qū)動(dòng)橋殼靜力分析可知，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。橋殼本體部分整體承受的應(yīng)力均較小，材料的強(qiáng)度十分富余，說(shuō)明橋殼本體的厚度偏大 ,材料使用不夠充分，存在浪費(fèi)的可能性，有必要對(duì)其進(jìn)行更進(jìn)一步的分析，以達(dá)到輕量化的目的。 一般情況下，可以在對(duì)橋殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時(shí)達(dá)到輕量化的目的。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。對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以選取橋殼本體的厚度作為設(shè)計(jì)變量，取橋殼的最大應(yīng)力和等效位移作為狀態(tài)變量，使最大應(yīng)力不超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，最大位移滿足輪距變化不超過(guò) 條件。取橋殼的質(zhì)量為目標(biāo)變量，通過(guò)迭代運(yùn)算，使橋殼質(zhì)量達(dá)到最小值。這樣，可以使橋殼在滿足剛度和強(qiáng)度的條件下減輕重量，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 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。 本文計(jì)劃將橋殼本體的厚度由原來(lái)的 15mm 改變?yōu)?14mm，并且對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行靜力分析和動(dòng)態(tài)分析，驗(yàn)證其是否符合各項(xiàng)要求。 改進(jìn)后模型的有限元分析 改進(jìn)后橋殼的靜力分析 改進(jìn)之前，最大應(yīng)力出現(xiàn)在最大垂向力工況中，因此，改進(jìn)之后，依然在最大垂向力工況下對(duì)橋殼進(jìn)行靜力分析。如果分析結(jié)果中，橋殼的受力狀況得到改善，且依然滿足強(qiáng)度和，、剛度和振動(dòng)條件，則認(rèn)為改進(jìn)后的橋殼結(jié)構(gòu)較為合理，輕量化的方案是基本可行的。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： 37 圖 Mises 應(yīng)力分布云圖 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。橋殼本體部分應(yīng)力分布較為均勻，應(yīng)力較大區(qū)域相對(duì)于改進(jìn)前明顯增多，在橋殼本體中部到右側(cè)彈簧座之間的的區(qū)域應(yīng)力較大，但都在 323MPa 以下，沒(méi)有超過(guò)材料的屈服應(yīng)力。相較于改進(jìn)前，橋殼的最大等效位移變大，達(dá)到了 ，但 還是滿足輪距變化不超過(guò) 要求。 因此可知，通過(guò)改進(jìn)，在保證使用要求的條件下，明顯改善了橋殼應(yīng)力的分布狀況，尤其使橋殼本體的材料得到了較為充分的利用。 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。分別對(duì)橋殼進(jìn)行自由條件和約束條件下的模態(tài)分析，經(jīng) ANSYS 計(jì)算可得，自由模態(tài)下橋殼七到十二階固有頻率為： 38 表 712 階自由模態(tài)固有頻率 階次 7 8 9 10 11 12 固有頻率 (HZ) 表 約束模態(tài)前六階固有頻率 階次 7 8 9 10 11 12 固有頻率 (HZ) 通過(guò)與改進(jìn)前的各階模態(tài)進(jìn)行對(duì)比，可知改進(jìn)后該驅(qū)動(dòng)橋殼的前幾階固有頻率發(fā)生了一定的變化，但是變化的幅度不大，仍然都不在能夠引起振動(dòng)的激勵(lì)范圍內(nèi) ,所以改進(jìn)后橋殼的特性振動(dòng)依然是合理的。 本章小結(jié) 本章首先設(shè)定橋殼本體的厚度由原來(lái)的 15mm 減小為 14mm，然后對(duì)改進(jìn)后 的橋殼模型進(jìn)行有限元分析，分別得到它在最大垂向力工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布情況和前六階自由模態(tài)及約束模態(tài)，通過(guò)對(duì)比情況，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后橋殼仍然符合各項(xiàng)工作要求，同時(shí)達(dá)到了輕量化的目的，實(shí)現(xiàn)減重 。 39 7 總結(jié)與展望 本文的主要內(nèi)容 本文使用 CATIA 建立了某載貨車的驅(qū)動(dòng)橋殼模型，并在 ANSYS 中對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，完成了橋殼的輕量化設(shè)計(jì)。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。 （ 2）對(duì)橋殼的構(gòu)造、類型、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。 （ 3）使用 CATIA 建立了某載貨車的驅(qū)動(dòng)橋殼模型，并在 ANSYS 中對(duì)其進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證了橋殼是否符合使用要求。 （ 4）在有限元分析的基礎(chǔ)上對(duì)橋殼部分部位進(jìn)行了減薄處理，并且驗(yàn)證了改進(jìn)后的橋殼仍然滿足各項(xiàng)使用要求，使橋殼減重 ，減少了材料消耗。 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)。 （ 2）網(wǎng)格劃分的精度可以提高。 （ 3）分析過(guò)程中沒(méi)有考慮到橋殼的自重。 （ 4）沒(méi)有對(duì)焊縫進(jìn)行分析。 （ 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。 （ 6）可使用軟件的優(yōu)化程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步對(duì)橋殼模型進(jìn)行改進(jìn)。 40 謝辭 近三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)接近尾聲，這三個(gè)月的畢設(shè)經(jīng)歷，既讓我體會(huì)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。同時(shí)，在畢設(shè)過(guò)程中老師和同學(xué)們都給與了我極大的幫助，他們讓我感受到了溫暖和鼓舞。 首先要特別感謝劉俊老師。劉老師盡管工作繁忙，但依然堅(jiān)持定期檢查課題進(jìn)展，及時(shí)地為我解答研究中遇到的問(wèn)題。劉老師的指導(dǎo)犀利明晰，直入重點(diǎn)，往往很快就能抓住問(wèn)題的本質(zhì)，給予了我極大的啟發(fā)；劉老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)學(xué)生要求嚴(yán)格，這讓我意識(shí)到在學(xué)術(shù)研究中要有一絲不茍，尊重事實(shí)的科學(xué)態(tài)度；另外，劉老師還主動(dòng)關(guān)懷我們的學(xué)習(xí)生活情況，鼓勵(lì)大家追求進(jìn)步，他樸實(shí)的話語(yǔ)讓我們感到親切和溫暖。 另外，還要感謝韓為鐸同學(xué)，他樂(lè)于助人，勤學(xué)尚思，在課題 研究過(guò)程中為我提供了大量的指導(dǎo)。感謝王凱祺、包凱和李永奇同學(xué)，謝謝他們的支持與陪伴。感謝我的家人和朋友們，是他們時(shí)刻鞭策我去努力，去奮斗。 沒(méi)有困難重重時(shí)的艱苦求索，就沒(méi)有靈光一現(xiàn)時(shí)的豁然開(kāi)朗。體會(huì)到研究過(guò)程中的困苦與不易，得到成果時(shí)的喜悅才更顯得彌足珍貴。學(xué)術(shù)研究中沒(méi)有坦途。我將更加珍惜研究生階段的三年時(shí)光，始終恪守不怕困難，迎難而上的信念，爭(zhēng)取更大的進(jìn)步。 41 [參考文獻(xiàn) ] [1] 劉斌 .橋殼的有限元分析及結(jié)構(gòu) 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