【正文】 各階模態(tài)頻率值如下圖 所示： 圖 自由模態(tài)分析頻率柱狀圖 自由模態(tài)的綜合信息如下表 所示： 表 自由模態(tài)分析綜合信息表 模態(tài)階數(shù) 1 2 3 4 5 6 頻率值（ Hz） 0 0 0 最大位移（ m） 最小位移（ m） 模態(tài)階數(shù) 7 8 9 10 11 12 頻率值（ Hz） 最大位移（ m） 最小 位移（ m） 自由模態(tài)分析各階 模態(tài) 所對應(yīng)的振型圖如下所示： 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 38 圖 自由模態(tài)第一階單側(cè)橋殼斜向擺動振型圖 圖 自由模態(tài)第六階單側(cè)橋殼上下擺動振型圖 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 39 圖 自由模態(tài)第七階垂直 Y 軸 U 形彎曲振型圖 圖 自由模態(tài)第八階垂直 Z 軸 U 形彎曲振型圖 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 40 圖 自由模態(tài)第九階垂直 Z 軸 S 形扭 轉(zhuǎn)振型圖 圖 自由。考慮到驅(qū)動橋殼 在實(shí)際工作狀態(tài)中是受到約束的，所以本課 題在下面的模態(tài)分析中，對驅(qū)動橋殼也進(jìn)行了約束模態(tài)的分析 ， 并且在不同的約束情況下對驅(qū)動橋殼頻率的影響比較。位移模態(tài)由結(jié)構(gòu)的質(zhì)量決定，轉(zhuǎn)動模態(tài)由三個轉(zhuǎn)動慣量決定。在計(jì)算自由模態(tài)時(shí)，不加約束與力。其模型圖如下： 圖 驅(qū)動橋殼模態(tài)分析網(wǎng)格模型 驅(qū)動橋殼模態(tài)分析 在典型的模態(tài)分析中唯一有效的 “ 載荷 ” 是零位 移約束，如果在某個 DOF 處指定了非零位移約束，程序?qū)⒁粤阄灰萍s束在該 DOF 處的位置。橋殼結(jié)構(gòu)雖然左右對稱，但是模態(tài)分析是分析整個結(jié)構(gòu)的特性，因此模態(tài)分析的模型應(yīng)該是完整橋殼的模型。由 此可解得 n 個廣義特征值 i? （ i=1， 2， 3， … ， n） ,從而可求得 n 個固有圓頻率 i? ，由式（ ）可以確定 n 個節(jié)點(diǎn)振幅構(gòu)成的一個列向量，工程上稱為振型，其振幅構(gòu)成固定的形狀，絕對值可以任意改變。在自由振動時(shí)，結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)的振幅 ??? 不可能全為零，因而式（ ）必有其系數(shù)行列式為零。 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，要求解的是機(jī)體的固有頻率和振型參數(shù)，固有頻率和外載荷無關(guān)，結(jié)構(gòu)阻尼對固有頻率影響很小。因此，橋殼就由無限多自由度系統(tǒng)變成有限多自由度系統(tǒng)。 5） 識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的載荷 模態(tài)分析理論 橋殼的實(shí)際構(gòu)件是一個自由度無限多的系統(tǒng)。模態(tài)分析的應(yīng)用可歸結(jié)為以下幾個方面： 1） 評價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特 性 通過對結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，求得結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)參數(shù)，從而評價(jià)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性是否符合要求，并檢驗(yàn)理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動特性的一種方法，通過它可以得到固有頻率和振型等系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。因此研究驅(qū)動橋殼是驅(qū)動橋設(shè)計(jì)的重要研究項(xiàng)目，也是研究汽車傳動系振動、噪聲控制和故障診斷的基礎(chǔ)。最大變形出現(xiàn)在側(cè)滑端半軸套管的端部，其值湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 33 為 ， 每米輪距變形量為 ，符合 。 3 9 2 0 0 1 .0 3 9 2 0 0 ( N )YFG ?? ? ? ? 圖 最大側(cè)向力工況邊界條件 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 32 橋殼的應(yīng)力圖和變形圖如下所示： 圖 最大側(cè)向力工況應(yīng)力圖 圖 最大側(cè)向力工況變形圖 由上圖可知，最大側(cè)向力工況下的最大應(yīng) 力發(fā)生在半軸套管臺階與法蘭盤兩端附近，最大值為 ， 小于許用應(yīng)力值 490MPa[19]。 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側(cè)滑端半軸套管上（水平方向?yàn)檠?X 軸的橫向力），仍然約束鋼板彈簧座。單側(cè)車輪承受所有載荷，包括垂直方向上后軸載重和最大 側(cè) 向力。半軸套管法蘭盤處最大變形量為 ，每米變形量 為 ,小于國家標(biāo)準(zhǔn) ,滿足設(shè)計(jì)要求 。如圖 ，真實(shí)最大應(yīng)力值為 ，滿足材料許用應(yīng)力值 。 針對這種“ 危險(xiǎn) ” 情況的出現(xiàn)，下面作進(jìn)一步的分析。 單側(cè)車輪垂直方向上的作用力為： 2 0 . 7 4 0 0 0 9 . 8 1 3 7 2 0 ( N )22v mGF ??? ? ? 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 29 根據(jù)式（ ），切向最大制動力為： 2 0 . 7 4 0 0 0 9 . 8 0 . 8 1 0 9 7 6 ( N )22Xb mGF ? ??? ? ? ? ? 約束和載荷 的施加如圖所示 ： 圖 最大制動力工況 約束載荷圖 橋殼的 mises 應(yīng)力圖和變形圖如下所示： 圖 最大制動力工況應(yīng)力圖 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 30 圖 最大制動力工況變形圖 最大制動力工況在應(yīng)力分布以及變形情況上，與前面所述的最大驅(qū)動力工況比較類似。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 28 圖 最大驅(qū)動力工況局部 mises 應(yīng)力圖 圖 最大驅(qū)動力工況局部變形圖 最大制動力工況 最大制動力工況下，驅(qū)動橋殼主要承受垂直方向力和切向最大制動力。前者的出現(xiàn)是因?yàn)榉ㄌm盤徑向尺寸較大，造成線位移比較大，但這并不是分析所要研究的主要參數(shù)。 如圖 所示，最大變形量出現(xiàn)在半軸套管的法蘭盤上，其值為 。 并且，這個局部應(yīng)力集中危險(xiǎn)點(diǎn)的產(chǎn)生是由于模型中出現(xiàn)尖角所致，不 是橋殼實(shí)際情況的 體現(xiàn)，從而并不會影響橋殼 實(shí)際的 正常工作。 橋殼的許用彎曲應(yīng)力為 300～ 500MPa， 許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為 150～ 400MPa， 可鍛鑄鐵橋殼取小值，鋼板沖壓焊接橋殼取大值。在 數(shù)值上，可以通過在應(yīng)力奇異點(diǎn)附近的區(qū)域選取一個合理點(diǎn)，得到其大致的真實(shí)最大應(yīng)力值。見圖 ，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在鋼板彈簧座外側(cè)尖角處，其值為 。垂直力大小為： ? ?1 1 . 2 4 0 0 0 9 . 8 2 3 5 2 0 N22v mGF ??? ? ? 其中，汽車以最大驅(qū)動力行駛 時(shí)驅(qū)動橋負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù) m1=。 圖 沖擊載荷局部 mises 應(yīng)力圖 圖 沖擊載荷局部變形圖 最大驅(qū)動力工況 最大牽引力工況下，汽車滿載， 且 發(fā)動機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩工作?！镀囼?qū)動橋臺架試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)》規(guī)定 ，滿載時(shí) 橋殼 每米輪距最大變形限度為 。 從變形圖上來看，橋殼最大變形出現(xiàn)在中間下側(cè)過渡圓弧處，最大變形量為，每米輪距 變形量 為 。中間區(qū)域因?yàn)閳A弧過渡面的存在，有一個漸變的趨勢，所以也產(chǎn)生了應(yīng)力的較大分布。這種情況的出現(xiàn)，與加載位置和約束位 置有關(guān) 。根據(jù)式（ ），施加的載荷大小為： m a x 4 0 0 0 9 . 82 . 5 2 . 5 4 9 0 0 0 ( N )22v GF ?? ? ? ? ? 對應(yīng)的 約束和載荷 施加圖如下： 圖 沖擊載荷工況 約束 與 載荷圖 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 24 驅(qū)動橋殼在沖擊載荷工況計(jì)算所得的 mises 應(yīng)力圖和變形圖如下： 圖 沖擊載荷 mises 應(yīng)力圖 圖 沖擊載荷變形圖 從 mises 應(yīng)力圖上可以看出，應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在加載的鋼板彈簧座與 約束半軸套 管 之 間；其次，在中間圓形開口邊緣以及圓弧過渡曲面上的應(yīng)力分布也比較大。 沖擊載荷工況 汽車滿載時(shí)后軸載荷為 39200N，按照 倍動載荷加到橋殼鋼板彈簧座上，橋殼只承受最大垂直力。solid187 單元是一個高階 3 維 10 節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元， solid187 具有二次位移模式可以更好的模擬不規(guī)則的模型，如圖 。 涉及 到的網(wǎng)格類型包括 solid18 solid187。 此時(shí)運(yùn)用 “ contact sizing” 功能鍵可專門對接觸面進(jìn)行網(wǎng)格大小的控制，得到想要的網(wǎng)格大小，提高計(jì)算的精度。同時(shí) ， 在 ANSYS Workbench中還提供一種稱為 “ contact sizing” 的專門針對接觸單元的網(wǎng)格大小控制功能鍵。 ANSYS Workbench提供 了 四面體單元和六面體單元兩種單元類型。根 據(jù)驅(qū)動橋殼的工程實(shí)際，此模型 選取 “ structural steel”， 即結(jié)構(gòu)鋼類型。 UG 和 ANSYS Workbench 之間良好的數(shù)據(jù)交換接口 ， 為 CAD 模型導(dǎo)入提供了順暢 的平臺。 然后將 UG 幾何模型以 Parasolid 的 方式 導(dǎo)出保存。 這樣 既有利于簡化建模，也有利于有限元模型建立過程中提取界面，便于網(wǎng)格劃分； 2） 忽略各裝配孔 、 鋼板彈簧座中心孔等幾何特征； 3） 對半軸套管和橋殼中間段進(jìn)行整體建模，不采用裝配方式組合； 4） 簡化受力小而又引起截面突變的部分，如忽略半軸套管 的 次要臺階等； 5） 對橋殼主體采用等厚處理，中間牙包區(qū)域原本復(fù)雜的不規(guī)則曲面采用旋轉(zhuǎn)曲湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 21 面代替 。因此，如何在模型導(dǎo)入的過程中 如何 減少數(shù)據(jù)丟失，是本課題的一個重要任務(wù)。 驅(qū)動橋承受的側(cè)向力為： 1YFG??? （ ） 式中 ： YF 是驅(qū)動橋殼的承受的側(cè)向力； G 是汽車滿載靜止驅(qū)動橋所承受的載荷；1? 是側(cè)滑附著系數(shù)，取值為 。我們 分析 側(cè)滑的臨界狀態(tài)，即汽車側(cè)向加速度超過一定限制時(shí)， 此時(shí) 汽車內(nèi)側(cè)車輪的垂直反力為零 ，從 而引起側(cè)翻。當(dāng)它達(dá)到地面給輪 胎的側(cè)向反作用力的最大值 ， 即側(cè)向附著力時(shí)，汽車處于側(cè)滑的臨界狀態(tài) 。 最大制動力大小為： 22Xb GmF ?? （ ） 式中 ： G 是汽車滿載靜止于水平路面時(shí)驅(qū)動橋給地面的載荷； m2 是汽車制動時(shí)湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 20 的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，對于輕型載貨汽車取 值為 ； ? 是驅(qū)動車輪與路面的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取 。 3） 最大制動力工況 此 種情況 為汽車滿載緊急制動時(shí)的工況，不考慮側(cè)向力。此時(shí)左右驅(qū)動輪除作用有垂向反作用力外，還作用有地面對驅(qū)動輪的最大切向反作用力 。此時(shí)不考慮側(cè)向力和切向力，取 倍動載荷系數(shù)，載荷均勻施加在兩個鋼板彈簧座上面。只要在這幾種載荷計(jì)算工況下橋殼的強(qiáng)度得到保證，就認(rèn)為橋殼在汽車各種行駛條件下是可靠的。 驅(qū)動橋殼靜力分析典型工況 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 19 驅(qū)動橋殼在行駛中受力 情 況比較復(fù)雜，承受的力主要有垂直力、切向力（牽引力和制動力）和側(cè)向力。汽車在行駛過程中，受到的載荷情況是比較復(fù)雜的，其中彎曲和扭轉(zhuǎn)對驅(qū)動橋殼的壽命影響很大。靜強(qiáng)度是指靜力時(shí)的強(qiáng)度；動強(qiáng)度是指動載荷作用下的強(qiáng)度。 后者是指擠壓、接觸等涉及零件表面層的強(qiáng)度。零件強(qiáng)度分體積強(qiáng)度和面積強(qiáng)度 。機(jī)械零件在工作時(shí)，不容許出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂或者塑性變形，也不允許發(fā)生表面損壞。強(qiáng)度是指構(gòu)件或零部件在確定外力作用下，不發(fā)生破裂或過量塑性變形，即構(gòu)件或零件抵抗破壞的能力。這些方法都是在橋殼有樣品的情況下才能采用，而且還都需要付出相當(dāng)大的人力 、 物力和時(shí)間。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 18 3 驅(qū)動橋殼靜力分析 汽車驅(qū)動橋殼是汽車上的主要承載構(gòu)件之一，其形狀復(fù)雜，而 且 汽車的 行駛 條件如道路情況、氣候條件及車輛的運(yùn)動狀態(tài)等又是千變?nèi)f化的，因此要精確地計(jì)算汽車行駛時(shí)作用于橋殼各處應(yīng)力的大小 是很困難的 。此處不對驅(qū)動橋殼的簡化模型建模過程作詳細(xì)敘述?？紤]到驅(qū)動橋殼主要工作部位的殼體特征，采用 UG 軟件提供的抽殼操作，留取 5mm 的橋殼實(shí)際厚度。 橋殼中段的草繪圖如下： 圖 橋殼中段草圖 然后通過旋轉(zhuǎn)操作生成實(shí)體，再進(jìn)行對稱操作。 2） 結(jié)構(gòu)上 去掉了許多起安 裝及其它作用的小孔 、 槽 、 倒角、圓角，以及輪轂軸兩端的螺紋等。因此，為了有利于分析，我們可以對橋殼模型做合理的簡化。所謂裝配就是根據(jù)橋殼的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各部件的位置關(guān)系，利用 UG 提供的裝配模塊組合各部件。 通過工程圖獲 橋殼的設(shè)計(jì)變量 確定橋殼各組成部分建模所涉及到的主要幾何元素 結(jié)合軟件特點(diǎn)找到 合適的建模思路 建模中注意參數(shù)化思路， 選擇合適的步驟進(jìn)行建模 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 15 考慮到本課題的主要目的在于對驅(qū)動橋殼的有限元分析，所以就不對各部分的