【正文】 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 37 自由模態(tài)分析 自由模態(tài)分析在有限元網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上，不添加任何約束和載荷力進行分析。這種自由狀態(tài)必然導致計算結(jié)果出現(xiàn)剛體模態(tài)：三個位移模態(tài)，三個轉(zhuǎn)動模態(tài)。而 不能取其一半進行分析，否則就破壞了理論模態(tài)分析的真實性。由此得結(jié)構(gòu)的頻率方程為： ? ? ? ?KM?? （ ） 如果有 n 個節(jié)點，則式（ ）可以展開為： 1 1 1 1 1 2 1 2 1 12 1 2 1 2 2 2 2 2 21 1 2 20nnnnn n n n n n n nk m k m k mk m k m k mk m k m k m? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? 若結(jié)構(gòu)剛度矩陣 ??K 和質(zhì)量剛度矩陣 ??M 都是 n 階方陣，則式（ ）是 ? 的 n 次代數(shù)方程。其運動微分方程為： ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ?M U C U K U F t? ? ? （ ） 式中： ??M 、 ??C 、 ??K 分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣， ??U? 、 ??U? 、 ??U 分湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 35 別為振動 加速度、速度和位移列陣； F??t 為外載荷列陣。 2） 在新產(chǎn)品設(shè)計中進行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估計及優(yōu)化設(shè)計 3） 診斷及預(yù)報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障 4） 控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲 結(jié)構(gòu)振動時，各階模態(tài)對噪聲所產(chǎn)生的影響并不相同，通過調(diào)整或抑制對噪聲影響較大的 “ 優(yōu)勢模態(tài) ” ，便可達到降低噪聲的目的。模態(tài)是振動系統(tǒng)特性的一種表征，它實為構(gòu)成各種工程結(jié)構(gòu)復雜振動的那些最簡單基本的振動形態(tài)。之所以會出現(xiàn)這樣情況的應(yīng)力分布，是因為模型在半軸套管臺階與法蘭盤處相對較厚，從而產(chǎn)生一個過渡狀態(tài)，引起其附近區(qū)域的應(yīng)力變大。橋殼的這種極度危險狀況在實際中應(yīng)避免發(fā)生，但是在理論上作為一種極限工況，有其分析的價值 [19]。 此處的 應(yīng)力奇異 也是模 型中鋼板彈簧座尖角所造成，實際情況中應(yīng)力值會更小。應(yīng)力較大區(qū)域也出現(xiàn)在鋼板彈簧座附近，最大值為 。后者是因為載荷和約束作用引起的，其每米變形量 ， 顯然小于 ，因此符合要求。 對于這種個別點的應(yīng)力奇異，在有限元分析 中 可以通過 “ 不選擇該區(qū)域 ” 的方式，消除應(yīng)力奇異帶來的不良影響。如圖 ，真實最大應(yīng)力值為 。 根據(jù)式（ ）最大驅(qū)動力為： max 1 0eTtrT iiF r ?? = 0 . 6 2 4 5 4 . 7 1 6 . 1 7 1 0 5 2 2 ( N )0 . 4 0 6? ? ? ? 此工況下 約束和載荷 施加情況如圖 所示，載荷通過作用力偏置距離為輪胎半徑的方式加在兩端半軸套管上，約束 兩端 鋼板彈簧座： 圖 最大驅(qū)動力工況 約束載荷圖 橋殼的 mises 應(yīng)力圖和變形圖如下所示： 圖 最大驅(qū)動力工況 mises 應(yīng)力圖 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 27 圖 最大驅(qū)動力工況變形圖 最大牽引力工況下，危險區(qū)域出 現(xiàn)在鋼板彈簧座附近。 因此可以看出，該型橋殼的每米輪距變形量符合國家標準，其彎曲剛度滿足要求。但是，從驅(qū)動橋殼整體的應(yīng)力分布情況來看，各處的應(yīng)力 均 值小于材料的許用應(yīng)力值，分布也比較符合實際的加湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 25 載和約束情況。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在半軸套管法蘭盤靠近鋼板彈簧座區(qū)域，其值為 。 圖 solid186 號 單元 圖 solid187 號單元 圖 驅(qū)動橋殼網(wǎng)格劃分模型 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 23 驅(qū)動橋殼各工況靜力分析 QX1060 是一輛滿載時總質(zhì)量為 6 噸左右的輕型載貨汽車，根據(jù)四種典型工況的計算需要，所需基本參數(shù)如下所述 [17]： 滿載時后軸載 荷 G 為 39200N； 發(fā)動機最大扭矩 maxeT 為 245 mN? ； 0i 為 ； 1i為 ；輪距為 1600mm；所選輪胎型號為 “ 普通 ” ，從而可得其自由半徑r 為 406mm， 進行 分析時，通常不計滾動半 徑 r 與 自由半 徑的差別，統(tǒng)稱為車輪半徑 r[18]。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 22 本模 型采用的是 “ Hex Dominant” ， 即六面體網(wǎng)格劃分的方法，不控制網(wǎng)格大小，共生成 14603 個節(jié)點， 5326 個單元。一般來講，六面體單元較四面體單元節(jié)點數(shù)多，計算精度高，故在條件允許的情況下因盡 量使用六面體單元。橋殼導入 ANSYS Workbench 以后的 模型如下 圖 ： 圖 驅(qū)動橋殼的導入模型 生成橋殼有限元模型 ANSYS Workbench在材料屬性的定義這方面預(yù)置了幾種常用的材料類型 。 最后得到的 UG 簡化模型 見前面 圖 所示。 建立驅(qū)動橋殼有限元模型 幾何模型的導入 在將 UG 軟件中建模生成的驅(qū)動橋殼 CAD 模型導入到 ANSYS 的過程中，由于兩個軟件之間存在數(shù)據(jù)交換差異，免不了會產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失 ， 以至于幾何特征缺失的情況。 側(cè)向力一旦超過側(cè)向附著力，汽車就會發(fā)生側(cè)滑。汽車緊急制動時左右驅(qū)動車輪除作用有垂直反力外，還作用有地面驅(qū)動車輪的制動力 。動載荷大小為： max GF ?? （ ） 2） 最大驅(qū)動力工況 此工況為汽車滿載以最大牽引力作直線行駛時的工況，不考慮側(cè)向力。計算時，我們通常將橋殼復雜的受力狀況簡化為三類共四種典型工況：車輪承受最大鉛垂力（沖擊載荷工況）；車輪承受最大切向力（ 最大牽引力工況和最大制動力工況）；車輪承受最大側(cè)向力（滿載側(cè)滑臨界工況即側(cè)翻）。 剛度分析是指構(gòu)件或者零部件在確定的外力作用下，不發(fā)生彈性形變或位移不超過允許的范圍，即構(gòu)件抵抗變形的能力。 前者是拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)等涉及零件整個體積的強度 。強度是機械零件正常工作必須滿足的最基本要求。 過去我們國家主要是靠對橋殼樣品進行臺架試驗和整車行駛試驗來考核其強度和剛度，有時還采用在橋殼上貼應(yīng)變片的電測方法，使汽車在選定的典型路面上滿載行駛，以測定橋殼的應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上，然后再生成驅(qū)動橋殼兩端的半軸套管 。 在 UG 中建立橋殼的簡化模型，其基本步驟如下 所 述： 首先，根據(jù)所給車型的圖紙，進行主要特征參數(shù)的草圖繪制工作。 驅(qū)動橋殼的裝配流程圖如下： 圖 驅(qū)動橋殼的裝配思路圖 驅(qū)動橋殼的實物完整效果圖如下： 圖 驅(qū)動橋殼的 UG 裝配圖 給每個零件創(chuàng)建一個合適的引用集 裝配過程 添加零件裝配關(guān)系時選 用同一基準(如軸對齊 ) 注意添加零件的順序和零件的工作狀態(tài) 特殊的零件可適 當放在最后裝配 根據(jù)驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)特點確定第一個裝配的零件 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 16 驅(qū)動橋殼的模型簡化處理 本課題對后橋殼做結(jié)構(gòu)分析的出發(fā)點主要是研究它在汽車的典型工況時的變形及應(yīng)力分布情況。我們先采用曲線構(gòu)造方法創(chuàng)建上半部分的四分之一曲面，然后通過曲面的過渡 連接 、光順處理、曲面的編輯等步驟完成整體造型。 如中間環(huán)形空心梁處比較薄，并且是一系列的曲 面過渡。 UG/Assembly Modeling 的主模型在整個裝配過程中可以進行設(shè)計和編輯。 3） UG/特征建模模塊，它提供了支持建立和編輯下列各種標準的設(shè)計特征：孔、槽、型腔、柱體、塊體、錐體、球體、管狀體、桿、倒圓和倒角等。參數(shù)化設(shè)計的最大優(yōu)點就是能夠簡化重復建模的許多步驟。 圖 參數(shù)化模型圖 3） 設(shè)置參數(shù)之間的關(guān)系 。下面舉一個標準件螺栓的例子來說明。其中全集成包括數(shù)據(jù)與系統(tǒng)集成、功能集成、過程集成、信息集成、企業(yè)集成；全相關(guān)是指不僅能在產(chǎn)品內(nèi)部保持尺寸大小的相關(guān)性，而且還具有結(jié)構(gòu)形狀的相關(guān)，即幾何相關(guān)，更要具有過程相關(guān)；快速反應(yīng)機制的具體方面有兩個：逆向工程（ RP）技術(shù)與快速成型（ RP）技術(shù)，前者是對產(chǎn)品進行空間三維測量以獲得海量數(shù)據(jù)并建立測量對象的數(shù)字 模型；后者是利用數(shù)字模型快速建立對象的物理實體，用于評估、分析和作為模芯等。 CAE（ Computer Aided Engineering，計算機輔助工程分析）也是以計算機為輔助工具，完成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析、運動仿真等工作，進而對產(chǎn)品的設(shè)計進行初步的評定和檢查。并且為了防止橋殼內(nèi)潤滑油外溢，在橋殼軸管處焊接 了 擋油環(huán)或加裝油封 。鋼板沖壓焊接式橋殼屬于整體式橋殼的一種，具有質(zhì)量小、制造工藝簡單、材料利用效率高、抗沖擊性能好以及成本低等優(yōu)點，并適用于大量生產(chǎn)。 3） 對驅(qū)動橋殼 四種典型工況 ，即沖擊載荷工況、最大驅(qū)動力工況、最大制動力工況以及最大側(cè)向力工況 進行靜態(tài)分析 ，通過 mises 應(yīng)力 圖和變形圖檢驗驅(qū)動橋殼是否滿足強度和剛度要求，并且 分析 影響應(yīng)力分布的因素。汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域也不例外，現(xiàn)代設(shè)計方法的引進打破了汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計長期停滯不前的狀態(tài)，為這一古老的機械行業(yè)增添了無限生機。它經(jīng)歷了探索發(fā)展、獨立發(fā)展、專家應(yīng)用三個階段，到 90年代，已發(fā)展為與 CAD特征建模相結(jié)合，集成為一體的面向設(shè)計者的技術(shù)。參數(shù)化技術(shù)的成功應(yīng)用，大大推進了計算機輔助集成制造系統(tǒng)的進程，也為其本身的發(fā)展注入了強大的生命力，使其成為 CAD發(fā)展進程中第三次技術(shù)革命的核心。 當我們結(jié)合世界制造業(yè)信息化主旋律，在數(shù)字化工程背景下審視這三個特點時，會發(fā)現(xiàn) Workbench 將給產(chǎn)品研發(fā)流程帶來革命 性的變化。開發(fā)這個協(xié)同仿真環(huán)境的平臺便是ANSYS Workbench[12]。面對制造業(yè)信息化大潮、仿真軟件的百家爭鳴雙刃劍、企業(yè)智力資產(chǎn)的保留等各種工業(yè)需求， ANSYS 公司提出的觀點是：保持核心技術(shù)多樣化的同時，建立協(xié)同仿真環(huán)境。 ANSYS 可以實現(xiàn)多物理場耦合分析，研究各物理場湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 7 間的互相影響； 7） 提供與其它多種程序接口。 ANSYS 提供了數(shù)種求解器，用戶可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器； 3） 強大的非線性分析功能。 5） ANSYS 的數(shù)據(jù)庫 ANSYS 使用統(tǒng)一的集中式數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)及求解結(jié)果。耦合場分析包括熱 結(jié)構(gòu)、熱 磁、磁 結(jié)構(gòu)、流體 熱、流體 結(jié)構(gòu)、熱 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 6 電等。 2） ANSYS 的分析功 能 ANSYS 軟件的分析功能包括結(jié)構(gòu)分析、非線性分析、電磁分析、諧波分析、瞬態(tài)分析、響應(yīng)譜分析、隨機振動分析和屈曲分析。同時該軟件提供了完整的在線說明和狀態(tài)途徑的超文本幫助系統(tǒng)，以協(xié)助 有 經(jīng)驗的用戶進行高級應(yīng)用 [11]。 ANSYS 軟件介紹 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 5 概述 ANSYS 公司由 John Swanson 博士創(chuàng)立于 1970 年，總部位于賓夕法尼亞州的匹茲堡， ANSYS 軟件是該公司的主要產(chǎn)品，它是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學既相互耦合分析于一體的大型通用有限元軟件，可廣泛地應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船生物醫(yī)藥、輕工、地礦、水利、 日用家電等一般工業(yè)及科學研究。 4） 虛擬仿真 虛擬現(xiàn)實是計算機 相關(guān)技術(shù)中的重要課題，繼多媒體技術(shù)之后，正日益引起驅(qū)動橋廠商及開發(fā)設(shè)計部門的高度關(guān)注。這些算法涉及生物進化、人工智能、數(shù)學和物理學、神經(jīng)系統(tǒng)和統(tǒng)計力學等概念，是以一定的直觀基礎(chǔ)構(gòu)造的算法，稱之為啟發(fā)式算法。考慮隨機性并在設(shè)計中引入可靠度，更真實 地 反映客觀現(xiàn)實，由此設(shè)計出的產(chǎn)品也更科學合理。劉萬封根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變模態(tài)的特點及測試方法，建立了微型汽車驅(qū)動橋橋殼的動態(tài)響應(yīng)模型，可以計算出任意載荷條件下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)，確定疲勞危險點，進而可以進行結(jié)構(gòu)疲勞分析的計算機模擬 [10]。褚志剛通過模態(tài)分析方法找到了某汽車驅(qū)動橋殼的破壞原因。鄭燕萍在有限元中將橋殼兩端固定，在彈簧座處施加載荷 [6]，得出結(jié)論：當橋殼承受滿載軸荷時，每米輪距最大變形量不超過 ，強度足夠 ； 龍慧對裝載機的前驅(qū)動橋殼進行了垂直彎曲的有限元強度分析，計算出橋殼應(yīng)力、變形分布和應(yīng)力集中，為提高驅(qū)動橋殼的承載能力和新產(chǎn)品的開發(fā)提供了較為可靠的依據(jù) [7]。而且，可以得 到 比較詳細的應(yīng)力和變形的分布情況，以及應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力變化趨勢，這些都是傳統(tǒng)方法難以做到的。 有限元法作為一種現(xiàn)代化的結(jié)構(gòu)計算方法，在一定的前提條