【導(dǎo)讀】的有效使用壽命，故應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的動態(tài)特性。以Parasolid的格式導(dǎo)入ANSYS軟件并以靜、動態(tài)分析理論為基礎(chǔ)做有限元分析，最后，利用研究成果對驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)和材料要求提出改進(jìn)措施，并解決驅(qū)。動橋殼斷裂問題。不會引起橋殼共振。

　　

【正文】 情況下應(yīng)取相對較多的網(wǎng)格。同樣在響應(yīng)計(jì)算中，計(jì)算應(yīng)力響應(yīng)所取的網(wǎng)格數(shù)應(yīng)比計(jì)算位移響應(yīng)多。在計(jì)算結(jié)構(gòu)固有動力特性時，若僅僅是計(jì)算少數(shù)低階模態(tài)，可以選擇較少的網(wǎng)格。如果計(jì)算的模態(tài)階次較高，則應(yīng)選擇較多的網(wǎng)格。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，這時可劃分較少的網(wǎng)格。 (2)網(wǎng)格疏密：網(wǎng)格疏密是指在結(jié)構(gòu)不同部位采用大小不同的網(wǎng)格，這是為了適應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)。在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位 (如應(yīng)力集中處 )，為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。而在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位，為減小模型規(guī)模，則應(yīng)劃分相對稀疏的網(wǎng)格，這樣整個結(jié)構(gòu)便表現(xiàn)出疏密不同的網(wǎng)格劃分形式。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。因此，網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)增加到結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位。再次要部位增加網(wǎng)格是不必要的，也是不經(jīng)濟(jì)的。疏密不同的網(wǎng)格對于應(yīng)力分析非常重要。劃分疏密不同的網(wǎng)格主要用于應(yīng)力分析 (包括靜應(yīng)力和動應(yīng)力 )，而計(jì)算固有特性時，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。同樣，在結(jié)構(gòu)溫度場計(jì)算中也趨于采用均勻網(wǎng)格。 (3)單元階次：許多單元都具有線性二次和三次等形式，其中二次或三次形式的單元稱為高階單元。選用高階單元可提高計(jì)算精度，因?yàn)楦唠A單元的曲線或曲面邊界能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)的曲線或曲面邊界，且高次插值函數(shù)可以更高精度地逼近復(fù)雜場函數(shù)，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則、應(yīng)力分布或變形很復(fù)雜時，可以選本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 22 用高階單元。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，因此在使用時應(yīng)權(quán)衡考慮計(jì)算精度和時間。 (4)網(wǎng)格質(zhì)量：指網(wǎng)格幾何形狀的合理性。質(zhì)量好壞將影響計(jì)算精度。質(zhì)量太差的網(wǎng)格甚至?xí)兄褂?jì)算。劃分網(wǎng)格時網(wǎng)格質(zhì)量要達(dá)到某些指標(biāo)要求。應(yīng)保證劃分高質(zhì)量網(wǎng)格，即使是個別質(zhì)量很差的網(wǎng)格也會引起很大的局部誤差，而在結(jié)構(gòu)次要部位，網(wǎng)格質(zhì)量可適當(dāng)降低。當(dāng)模型中存在質(zhì)量很差的網(wǎng)格 (稱為畸形網(wǎng)格 )時，計(jì)算過程將無法進(jìn)行。劃分后需要檢查網(wǎng)格，避免不良網(wǎng)格造成運(yùn)算終斷、程序出錯等現(xiàn)象。 (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。常見的特殊界面和特殊點(diǎn)有材料分界面、幾何尺寸突變面、分布載荷分界線、集中載荷作用點(diǎn)和位移約束作用點(diǎn)等。 (6)位移協(xié)調(diào)性：位移協(xié)調(diào)是指單元上的力和力矩能夠通過節(jié)點(diǎn)傳遞相鄰單元。為保證位移協(xié)調(diào)，一個單元的節(jié)點(diǎn)必須同時也是相鄰單元的節(jié)點(diǎn)，而不應(yīng)是內(nèi)點(diǎn)或邊界點(diǎn)，相鄰單元的共有節(jié)點(diǎn)具有相同的自由度性質(zhì)。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。 (7)網(wǎng)格布局：當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀對稱時，其網(wǎng)格也應(yīng)劃分對稱 網(wǎng)格，以使模型表現(xiàn)出相應(yīng)的對稱特性，不對稱布局會引起一定誤差 [13]。 由于有限元計(jì)算是將實(shí)物模型離散化為一個個單元，單元之間通過節(jié)點(diǎn)連接，最終是通過施加在節(jié)點(diǎn)上的約束和載荷而完成的，因此我們在劃分網(wǎng)格前應(yīng)充分考慮到以后添加約束和載荷位置的具體情況。針對本課題所研究的橋殼 結(jié)構(gòu)，需要在厚度較薄的區(qū)域、關(guān)鍵危險(xiǎn)點(diǎn)的區(qū)域、截面突變易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域以及施加約束或載荷處的區(qū)域進(jìn)行較為精細(xì)的網(wǎng)格劃分，所以采用智能網(wǎng)格劃分的方法。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 節(jié)點(diǎn)具有 3 個沿 XYZ方向的平移自由度，具有任意空間的各向異性。如下圖 所示： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 23 圖 網(wǎng)格劃分 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 24 第五章 驅(qū)動橋殼的有限元靜力分析及其優(yōu)化 靜力分析介紹 靜力分析是 ANSYS 產(chǎn)品家族 7 中結(jié)構(gòu)分析類型中的一種，主要用于求解靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力等，它包括線性和非線性，而該設(shè)計(jì)主要研究線性計(jì)算，它是指在分析過程中結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和載荷參數(shù)只發(fā)生微小的變化，以至可以把其忽略。靜力分析計(jì)算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響 [15]。 強(qiáng)度理論 不同的材料因強(qiáng)度不足而引起的失效現(xiàn)象是不同的。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。 在簡單應(yīng)力狀態(tài)下，失效狀態(tài)或強(qiáng)度條件都是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的。而在實(shí)際工程中，構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)往往不是單向的，且失效現(xiàn)象比較復(fù)雜，經(jīng)過歸納，強(qiáng)度不足引起的失效現(xiàn)象主要還是屈服和斷裂兩種類型。同時，衡量受力和變形程度的量又有應(yīng)力、應(yīng)變和變形能等，人們綜合分析材料的失效現(xiàn)象和資料，對強(qiáng)度失效提出各種假設(shè)，認(rèn)為材料之所以按某種方式（斷裂或屈服）失效，是應(yīng)力、應(yīng)變或變形能等因素中某一因素引起的。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。 1913年， Von Mises提出了一個屈服條件，人們稱為 Von Mises屈服條件。 Von Mises屈服條件可以解釋為：當(dāng)材料八面體上的剪應(yīng)力達(dá)到某一極限值時，材料開始屈服。在材料力學(xué)中作為強(qiáng)度理論使用時，常稱為第四強(qiáng)度理論作為應(yīng)用最廣泛的屈服條件， Von Mises屈服條件考慮了中間主應(yīng)力對屈服條件的影響，通常用于可延展材料的失效準(zhǔn)則。在本次強(qiáng)度分析中選用第四強(qiáng)度理論。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 25 驅(qū)動橋橋殼結(jié)構(gòu)分析 最大垂向力工況 (1) 這種工況下垂向力平均施加到彈簧座上的各個節(jié)點(diǎn)中，可以看成面載荷，在這 種工況下驅(qū)動橋殼的邊界的約束即約束橋殼兩端輪距處的點(diǎn) X， Y， Z 向的平動。彈簧支座所受的面載荷大小為： = (41) 其中 Z 左右彈簧座上的壓力 67571N， a1， a2 為彈簧座的長和寬，分別為 和 ，帶入上式求解為 MPa。驅(qū)動橋橋殼左右兩端添加 X,Y,Z 三個方向的平動約束，單元體 SOLID 本身不需要添加轉(zhuǎn)動約束。 (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。機(jī)械零件在工作時，不容許出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂或塑性變形，也不容許發(fā)生表面損壞。強(qiáng)度是指零件抵抗這類失效的能力。零件的強(qiáng)度分體積強(qiáng)度和表面強(qiáng)度，前者是；拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)等涉及零件整個體積的強(qiáng)度，后者是指擠壓、接觸等涉及零件表面層的強(qiáng)度。在體積強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度中，又可以各自分為靜強(qiáng)度和動強(qiáng)度。 求解完成后利用 ANSYS 軟件生成的結(jié)果文件進(jìn)行后處理。 (3) 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果查看 三維實(shí)體需要查看三個方向的位 移和總位移。查看 X 方向位移如下圖 ，由圖可知驅(qū)動橋橋殼在 X 方向的最 大位移為 mm。 圖 X 方向位移云圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 26 查看 Y 方向位移 , 由圖 可知驅(qū)動橋橋殼在 Y 方向的最大位移為。 圖 Y 方向位移云圖 查看 Z 方向位移 , 由圖 可知驅(qū)動橋橋殼在 Z 方向的最大位移為。 圖 Z 方向位移云圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 27 查看等效位移，由圖 可知驅(qū)動橋橋殼的最大位移變形為 mm。 圖 等效位移云圖 根據(jù)驅(qū)動橋橋殼垂直彎曲剛度試驗(yàn)評價指標(biāo)規(guī)定，滿載荷時每米輪距最大變形不超過 。承受 倍滿載荷時，橋殼不能出現(xiàn)斷裂和塑性變形。位移變形：該橋殼在滿載荷 倍的垂向動載荷工況下，通過位移云紋圖看出，最大位移為 ，位于橋殼中部圓弧內(nèi)側(cè)區(qū)域，則每米輪距最大變形為，遠(yuǎn)小于規(guī)定的 ／ m，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。 最大變形發(fā)生在橋殼中部，如下圖 所示： 圖 橋殼最大變形處 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 28 查看驅(qū)動橋橋殼的應(yīng)力分布圖，分別查看第一方向、第二方向、第三方向主應(yīng)力分布圖。查看 第一主應(yīng)力 分布，由圖 可知 第一主應(yīng)力的 最大應(yīng)力值為。 圖 第一主應(yīng)力云圖 查看 第二主應(yīng)力 分布，由圖 可知 第二主應(yīng)力的 最大應(yīng)力值為 。 圖 第二主應(yīng)力云圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 29 查看 第三主應(yīng)力 分布，由圖 可知 第一主應(yīng)力的 最大應(yīng)力值為 。 圖 第三主應(yīng)力云圖 查看等效應(yīng)力分布，由圖 可知最大應(yīng)力為 。 圖 等效應(yīng)力云圖 該設(shè)計(jì)所用材料的需用應(yīng)力的值為 400MPa，比上圖中最大的應(yīng)力 83MPa大得多，所以該設(shè)計(jì)符合縱向工況。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 30 最大縱向力工況 (1) 由于最大牽引力 =40398N，最大制動力 F=21623 N，因而只需要校核最大牽引力的工況。在這種工況下，如 圖所示， Fz2i=Fz2o=，F(xiàn)x2i=Fx2o=20199N， Fy2i=Fy2o=0N，并將這些力都移至橋殼上，這樣就產(chǎn)生一個彎矩 TT， 這樣將所有的力作用到橋殼上。同時，約束左右兩側(cè)的彈簧座三方向的平動。如下圖 所示： 圖 橋殼受力簡圖 (2) 結(jié)構(gòu)分析查看 查看 X 軸方向位移如下圖 ，由圖可知驅(qū)動橋橋殼在 X 軸方向的最大位移為 mm。 圖 X 軸方向位移云圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 31 查看 Y 軸方向位移如下圖 ，由圖可知驅(qū)動橋橋殼在 Y 軸方向的最大位移為 。 圖 Y 軸方向位移云圖 查看 Z 軸方向位移如下圖 ，由圖可知驅(qū)動橋橋殼在 Z 軸方向的最大位移為 。 圖 Z 軸方向位移云圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 32 查看等效位移如下圖 ，由圖可知驅(qū)動橋橋殼最大位移為 mm。 圖 等效位移云圖 查看第一主應(yīng)力分布，由圖 可知，第一主應(yīng)力最大值為 359MPa。 圖 第一主應(yīng)力分布云圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 33 查看第二主應(yīng)力分布，由圖 可知，第二主應(yīng)力最大值為 290MPa。 圖 第二主應(yīng)力分布云圖 查看第三主應(yīng)力分布，由圖 可知，第三主應(yīng)力最大值為 823MPa。 圖 第三主應(yīng)力分布云圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 34 查看等效應(yīng)力分布，由圖 可知，最大等效應(yīng)力為 550MPa。 圖 等效應(yīng)力云圖 由上面得應(yīng)力分布圖可知，最大應(yīng)力為 823MPa，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了需用應(yīng)力400MPa，故不符合設(shè)計(jì)要求。 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，如下圖 所示： 圖 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，如下圖 所示，最大位移為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 35 。 圖 X 軸方向位移云圖 查看 Y 軸方向的位移云圖，如圖 所示，最大位移為 。 圖 Y 軸方向位移云圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 36 查看 Z 軸方向位移，如圖 所示，最大位移為 。 圖 Z 軸方向的位移云圖 查看等效位移云圖，如圖 所示，最大位移為 。 圖 等位移力云圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 37 查看第一主應(yīng)力云圖，如圖 所示，最大應(yīng)力為 107MPa。 圖 第一主應(yīng)力云圖 查看第二主應(yīng)力云圖，如圖 所示，最大應(yīng)力為 。 圖 第二主應(yīng)力云圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 38 查看第三主應(yīng)力云圖，如圖 所示，最大應(yīng)力為 。 圖 第三主應(yīng)力云圖 查看等效應(yīng)力云圖，如下圖 所示，最大應(yīng)力為 117Mpa。 圖 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。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 39 (1) 在 這 種 工 況 下 ， 最 大 側(cè) 向 力 P=67571N 。 如 圖 所示，F(xiàn)z2i=Fz2o=， Fx2i=Fx2o=0N， Fy2o=67571N，并將這些力都移至橋殼上，這樣就產(chǎn)生一個彎矩 Mh， 這樣將所有的力作用到橋殼上。同時，約束左 右兩側(cè)鋼板彈簧座處 三個方 向的平