【導讀】減速器、差速器及半軸等裝置的外殼。汽車驅(qū)動橋殼必須具有足夠的強度、剛度、動態(tài)特性和疲勞壽命。本文以有限元靜態(tài)分析、動態(tài)分析及機械結(jié)構(gòu)。建模，有限元分析到輕量化設(shè)計的整個過程。首先建立了驅(qū)動橋殼的三維簡?；Ｐ秃陀邢拊Ｐ?。

　　

【正文】 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?shù)拇硇?。在各種不同的工況下，橋殼的固有頻率可能會發(fā)生一定的變化，但各階固有頻率應接近于上面所求出的頻率范圍。汽車行駛時 ,驅(qū)動橋殼的振動主要取決于車輪與路面間的相互作用力和汽車的振動 ,而路面不平度是引起橋殼振動的主要原因。汽車振動系統(tǒng)承 受路面作用的激勵多為 O 一 50Hz 的垂直振動 ,本文研究的驅(qū)動橋殼前幾階模態(tài)固有頻率不在此范圍內(nèi) ,因此不會因路面激勵而引起橋殼的共振 ,橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計比較合理。 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。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系統(tǒng)的激勵頻率，說明正常工作條件下驅(qū)動橋殼不會發(fā)生由路面和汽車振動系統(tǒng)激勵所引起的共振，這對于保證汽車的平順性十分有利。 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。 由驅(qū)動橋殼靜力分析可知，幾種工況中，最大應力發(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。橋殼本體部分整體承受的應力均較小，材料的強度十分富余，說明橋殼本體的厚度偏大 ,材料使用不夠充分，存在浪費的可能性，有必要對其進行更進一步的分析，以達到輕量化的目的。 一般情況下，可以在對橋殼進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時達到輕 量化的目的。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思想是，定義設(shè)計變量（一般是結(jié)構(gòu)尺寸）和狀態(tài)變量（一般是應力或應變），通過迭代運算，使目標變量（如質(zhì)量或者體積）達到最值。對于驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以選取橋殼本體的厚度作為設(shè)計變量，取橋殼的最大應力和等效位移作為狀態(tài)變量，使最大應力不超過材料的屈服強度，最大位移滿足輪距變化不超過 條件。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。這樣，可以使橋殼在滿足剛度和強度的條件下減輕重量，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。 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。 本文計劃將橋殼本體的厚度由原來的 15mm 改變?yōu)?14mm，并且對改進后的模型進行靜力分析和動態(tài)分析，驗證其是否符合各項要求。 改進后模型的有限元分析 改進后橋殼的靜力分析 改進之前，最大應力出現(xiàn)在最大垂向力工況中，因此，改進之后，依然在最大垂向力工況下對橋殼進行靜力分析。如果分析結(jié)果中，橋殼的受力狀況得到改善，且依然滿足強度和，、剛度和振動條件，則認為改進后的橋殼結(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橋殼施加 載荷和約束，經(jīng) ANSYS 計算得到 Mises 應力分布云圖和等效位移分布云圖如下所示： 37 圖 Mises 應力分布云圖 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，最大應力仍然發(fā)生在左側(cè)半軸套管輪距處，大小為 362MPa，遠遠小于半軸套管的屈服強度。橋殼本體部分應力分布較為均勻，應力較大區(qū)域相對于改進前明顯增多，在橋殼本體中部到右側(cè)彈簧座之間的的區(qū)域應力較大，但都在 323MPa以下，沒有超過材料的屈服應力。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。 因此可知，通過改進，在保證使用要求的條件下，明顯改善了橋殼應力的分布狀況，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。分別對橋殼進行自由條件和約束條件下的模態(tài)分析，經(jīng) ANSYS 計算可得，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) 通過與改進前的各階模態(tài)進行對比，可知改進后該驅(qū)動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的激勵范圍內(nèi) ,所以改進后橋殼的特性振動依然是合理的 。 本章小結(jié) 本章首先設(shè)定橋殼本體的厚度由原來的 15mm 減小為 14mm，然后對改進后的橋殼模型進行有限元分析，分別得到它在最大垂向力工況下的應力應變分布情況和前六階自由模態(tài)及約束模態(tài)，通過對比情況，發(fā)現(xiàn)改進后橋殼仍然符合各項工作要求，同時達到了輕量化的目的，實現(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)動橋殼模型，并在 ANSYS 中對其進行了有限元分析，完成了橋殼的輕量化設(shè)計。 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)動橋殼結(jié)構(gòu)分析和輕量化方面的發(fā)展現(xiàn)狀。 （ 2）對橋殼的構(gòu)造、類型、材料等進行了簡要介紹，并且分析了驅(qū)動橋殼在最大垂向力、最大牽引力、最大制動力、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。 （ 4）在有限元分析的基礎(chǔ)上對橋殼部分部位進行了減薄處理，并且驗證了改進后的橋殼仍然滿足各項使用要求，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，所以模型的建立應更加精細。 （ 2）網(wǎng)格劃分的精度可以提高。 （ 3）分析過程中沒有考慮到橋殼的自重。 （ 4）沒有對焊縫進行分析。 （ 5）應對優(yōu)化后的模型進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)化程序進行優(yōu)化設(shè)計，進一步對橋殼模型進行改進。 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，既讓我體會到了學術(shù)研究的艱辛，也讓我品嘗到了做出成果的喜悅。同時，在畢設(shè)過程中老師和同學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，但依然堅持定期檢查課題進展，及時地為我解答研究中遇到的問題。劉老師的指導犀利明晰，直入重點，往往很快就能抓住問題的本質(zhì)，給予了我極大的啟發(fā)；劉老師治學嚴謹，對學生要求嚴格，這讓我意識到在學術(shù)研究中要有一絲不茍，尊重事實的科學態(tài)度；另外，劉老師還主動關(guān)懷我們的學習生活情況，鼓勵大家追求進步 ，他樸實的話語讓我們感到親切和溫暖。 另外，還要感謝韓為鐸同學，他樂于助人，勤學尚思，在課題研究過程中為我提供了大量的指導。感謝王凱祺、包凱和李永奇同學，謝謝他們的支持與陪伴。感謝我的家人和朋友們，是他們時刻鞭策我去努力，去奮斗。 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。體會到研究過程中的困苦與不易，得到成果時的喜悅才更顯得彌足珍貴。學術(shù)研究中沒有坦途。我將更加珍惜研究生階段的三年時光，始終恪守不怕困難，迎難而上的信念，爭取更大的進步。 41 [參考文獻 ] [1] 劉斌 .橋殼的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 [J].上海汽車， 2021. 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