【正文】 移的大小和發(fā)生的位置，這為校核橋殼的強度和剛度提供了參考。 幾種典型工況下的靜力分析 在靜力分析得到的結果中， Mises 應力分布云圖和 等效位移分布云圖 根據(jù)橋殼不同部位的等效應力的大小 和等效位移的大小，將橋殼的不同部位附上不同的顏色。 本文按下表對驅動橋殼模型施加載荷和約束： 23 表 各工況下橋殼的加載方式與約束條件 工況 加載方式 約束條件 最大垂向力工況 垂向力加載到兩板簧座上，方向垂直于板簧座 約束橋殼一端輪距處節(jié)點 X、Y、 Z 方向的平動，約束另一端輪距處節(jié)點的 Y、 Z 方向的平動 最大牽引力工況 垂向力和縱向力均作用在板簧座上，垂向力垂直于板簧座，縱向力沿汽車運動相 反的方向 約束橋殼兩端輪距處節(jié)點 Y、Z 方向的平動，約束橋殼中間節(jié)點 X 方向的平動 最大制動力工況 垂向力和縱向力作用在板簧座上，垂向力垂直于板簧座，縱向力沿汽車運動方向，制動力矩作用于凸緣上 約束橋殼兩端輪距處節(jié)點 Y、Z 方向的平動，約束橋殼中間節(jié)點 X 方向的平動 最大側向力工況 垂向力作用在板簧座上，側向力作用于側滑一端輪距處的節(jié)點上 約束橋殼一端輪距處節(jié)點 X、Y、 Z 方向的平動，約束橋殼一端輪距處節(jié)點 Y、 Z 方向的平動， 24 4 驅動橋殼的靜力分析 靜力分析計算在固定不變的載荷作用下的結構效應，它不考慮慣性和阻尼的影響，是有限元分析中最基礎的分析，本章將分析驅動橋殼在四種典型工況下的應力和變形規(guī)律，找出橋殼潛在危險位置，為橋殼的結構優(yōu)化提供參考和依據(jù)。相應的，可以針對不同的典 型工況對橋殼施加載荷。本文中涉及的載荷形式主要是集中力、扭矩和均布載荷。應該在仔細分析橋殼受力特點和約束形式的基礎上施加載荷和約束。 （ 4） 施加載荷與約束。半軸套管多采用 40Cr， 40MnB 等中碳合金鋼或者 45 中碳鋼的無縫鋼管或鍛件。所劃分的網(wǎng)格如下如下： 22 圖 橋殼網(wǎng)格劃分 （ 3）定義材料屬 性。 經(jīng)過網(wǎng)格劃分，該模型共有單元 38348 個，節(jié)點 16346 個。橋殼本體部位的結構和鋼板彈簧座等部分的形狀較為復雜，采用 solid187四面體單元進行劃分。對于結構較復雜的實體模型，若采用六面體單元劃分，可能會使單元退化影響精度，所以一般選用四面體單元劃分。 對于本文中討論的驅動橋殼，選取 solid185 和 solid187 兩種實體單元。網(wǎng)格質量的好壞對 計算精度的影響很大，質量太差的網(wǎng)格可能會導致計算中斷。在結構的危險部位以及應力較為集中或變化較快的部位，可將網(wǎng)格劃分密集一些；而在結構的非關鍵部位及應力變化較小的部位，可以將網(wǎng)格劃分得稀疏一些。但高階單元的節(jié)點數(shù)較多，會增大分析的計算規(guī)模。高階單元具有節(jié)點數(shù)多，精度更高的特點。靜力分析中，若僅僅考慮變形，可以劃分較少的網(wǎng)格，若要計算應力，則需要劃分較多網(wǎng)格；動態(tài)分析時，如果僅僅計算較低模態(tài)，網(wǎng)格數(shù)量可以少一些，如果要計算更高階 模態(tài)，應增加網(wǎng)格數(shù)量。當網(wǎng)格數(shù)量增加時，計算精度一般會有所提高，但同時計算規(guī)模也會增加。導入的模型如下： 圖 導入后的幾何模型 （ 2） 進行網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的一個十分重 要的環(huán)節(jié)，所劃分的網(wǎng)格將對計算精 21 度和計算規(guī)模產(chǎn)生直接影響。建立驅動橋殼的有限元模型需進行如下步驟： （ 1） 導入三維模型。 20 圖 經(jīng)典界面 ANSYS 分析過程主要包括三個步驟：前處 理、加載并求解、后處理。流場分析的類型包括 CFD、聲學分析、容器內流場分析、流體動力學耦合分析。磁場分析的類型包括靜磁場分析、交變 磁場分析、瞬態(tài)磁場分析、電場分析、高頻電磁場分析等。熱分析的類型包括相變、內熱源、熱傳導、熱對流及熱輻射。包括靜力分析、模態(tài)分析、諧響應分析、瞬態(tài)動力學分析、特征屈曲分析及專項分析。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航天航空、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、日用家電等領域有著廣泛的應用。從而可以直觀地掌握了汽車在碰撞過程中速度、變形和能量等參數(shù)的變化情況。 （ 3）碰撞與安全性分析。 （ 2） NVH的有限元分析。汽車結構的有限元分析體現(xiàn)在：一，在汽車設計中對所有的結構件、主要機械零部件的剛度、強度和穩(wěn)定性進行分析；二，在汽車結構分析中普遍采用有限元法來進行各構件的模態(tài)分析，計算 19 出各構件的動態(tài)響應，可以真實地描繪出各部件的動態(tài)過程；三，在靜力分析和動態(tài)分析的基礎上對結構進行優(yōu)化設計，使結構在保證使用要求的同時減少材料使用，降低產(chǎn)品成本。 CAE分析范圍覆蓋了結構、流體力學、多體動力學、被動安全、工藝、整機和整車性能等方方面面 。 有限元分析在汽車設計中的應用 CAE作為一項跨學科跨行業(yè)的數(shù)值模擬分析技術，越來越受到科技界和工程界的重視，在汽車工業(yè)研究中的應用也越來越廣泛。 （ 4）一次投資，長期受益。 （ 2） CAE可以直觀地顯示目前還不易觀測到的，說不清楚的一些現(xiàn)象。 18 圖 引入 CAE 后產(chǎn)品設計流程圖 CAE的重要性體現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1） CAE 本身就可以看作成一種實驗。如果有這樣一種分析工具，可以在試制樣品之前就對詳細設計得到的產(chǎn)品方案進行仿真模擬，及時發(fā)現(xiàn)和改進問題，就能有效地消除設計中的盲目性，基本上能夠在詳細設計過程中就擬定最終的比較可靠的產(chǎn)品方案。之所以會出現(xiàn)這樣的情況，根源在于缺乏對詳細設計得到的產(chǎn)品方案進行模擬仿真和評估的工具。 17 圖 傳統(tǒng)產(chǎn)品設計流程圖 從圖中可以看出，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計流程中充斥著大量重新設計的可能性。作為一種新近發(fā)展起來的數(shù)值模擬分析技術， CAE越來越受到工程技術人員的重視和青睞。 后處理：后處理包括輸出位移和應力云圖，根據(jù)各種失效準則，諸如允許的最大偏移、材質的疲勞強度等指標來比較有限元分析結果。 對于不同問題，有限元 方法的 求解步驟 基本 是相同的，有限元 方法 求解問題的基本步驟通常為： 前處理：前處理包括建立有限元模型，輸入材料特性，施加邊界條件和載荷，以及檢查有限元模型等步驟。 16 有限元分析方法 有限元分析簡介 有限元分析 是利用數(shù)學近似的的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷）進行模擬。 （ 4）忽略半軸套管處軸徑的細微變化，忽略臺階，簡化成一段直徑相同的軸套。 （ 2）省去了橋殼后端蓋。同時，對橋殼上的細微結構進行簡化處理，對于最終的有限元分析結果的影響較小，仍然可以認為簡化模型的有限元分析結果比較接近于實際情況 [16]。 最終得到的驅動橋殼的三維模型如下圖： 圖 驅動橋殼三維模型 由上圖可以看到，所建立的驅動橋殼三維模型是經(jīng)過簡化處理的。 為了便于在有限元分析中對橋殼劃分模型劃分網(wǎng)格和定義材料屬性，驅動橋殼模型采用裝配設計，將鋼板彈簧座和驅動橋殼本體裝配在一起。 首先，作出橋殼本體部分的草圖： 圖 驅動橋殼本體部分二維草圖 由于驅動橋殼是對稱結構，故可以先做出一半模型，最后使用鏡像命令，驅動橋殼的一半模型為： 15 圖 驅動橋殼一半模型 上圖中，橋殼本體的厚度為 15mm。 13 3 驅動橋殼幾何模型與有限元模型的建立 驅動橋殼幾何模型的建立 建立驅動橋殼的幾何模型包含兩個方面的工作，一是根據(jù) CAD 圖紙建立三維模型；二是根據(jù)分析的需要對三維模型進行簡化，以便于有限元分析的進行。通過力學的平衡方程，可以求得鋼板彈簧座的垂向力。 圖 27 汽車向右側滑時的受力簡圖 當汽車側滑發(fā)生在側翻之前時汽車所受到的側向力為 ?122 GP? (28) 其中， ?1取地面的最大側向力系數(shù)。當汽車所承受的側向力達到地面給車輪的側向反作用力的最大值時，汽車處于臨界狀態(tài)，側向力一旦超過側向附著力，則汽車將產(chǎn)生側滑。 最大側向力工況 汽車在滿載、高速轉彎等工況中，會產(chǎn)生一個作用于汽車質心處的相當大的離心力。下圖為汽車以最大牽引力行駛時的受力簡圖。對越野車取 。不考慮切向力和側向力 ,在這兩種載荷總的作用下 ,橋殼承受的力為 （ gGw22） kd ，橋殼所產(chǎn)生的彎曲應力 ?wd 為 ??wjdwd k? （ 23） 式中： kd — 動載荷系數(shù) ,對轎車、客車取 。 S — 驅動橋殼上兩鋼板彈簧座中心間的距離 ,m； 通常由于 gw遠小于 22G 且設計時不易準確計算 ,一般情況 下可以忽略不計。在鋼板彈簧座處橋殼承受汽車的簧上載荷，沿左右車輪的中心線，地面給輪胎以反力 22G ， 橋殼則承受此力與車輪重力之差值，即 gGw22，計算簡圖如下： 圖 橋殼靜彎曲應力計算 橋殼按靜載荷計算時，在其鋼板彈簧座之間的彎矩 M為 22w2 sBM gG ?? ）（ m?N (21) 式中 : — 汽車滿載靜止于水平地面時驅動橋給地面的荷載 ,N； — 車輪 (包括輪毅、制動器在內 )的重力 ,N。我國通常推薦四種典型工況用于驅動橋殼的受力分析，分別是最大垂向力工況、最大牽引力工況、最大制動力工況和最大側向力工況，并認為在這四種工況下能夠滿足各項指標的橋殼是合格的。本文中半軸釆用的支承型式是全浮式。 表 中型載貨汽車驅動橋殼結構方案經(jīng)濟 性分析 橋殼結構形式 橋殼稱重 /N 廢屑稱重 /N 材料價格 /% 工廠成本 /% 可鍛鑄鐵鑄造的整體式橋殼 100 100 鋼板沖壓焊接整體式橋殼 637 49 52 67 半軸是驅動橋內主要的傳動裝置 ,根據(jù)半軸在輪端的受力情況不同 ,半軸可以分為兩種類型 ,即全浮式和半浮式。 橋殼的實物圖如下所示： 8 圖 橋殼實物圖 對于中型貨車，鋼板沖壓焊接整體式橋殼相對于鑄造整體式橋殼具有剛度大，節(jié)省材料等優(yōu)點，近年來應用越來越廣泛。 鋼板沖壓焊接整體式橋殼由橋殼本體、凸緣、半 軸套管和鋼板彈簧座等組成。由于制造工藝不同，整體式橋殼又可分為鑄造整體式、鋼板沖壓焊接式和鋼管擴張成形式三種。 圖 汽車驅動橋殼 驅動橋殼的結構型式主要有可分式橋殼，整體式橋殼和組合式橋殼三種。另外，驅動橋殼設計的合理性，還取決于能否提高材料利用率，降低成本，改 善車輛的燃油經(jīng)濟性。 汽車驅動橋使用頻率高，使用工況復雜，故障率高。它與從動橋殼一同支承各總成重量，承受車輪傳來的來自路面的反作用力和力矩。 （ 6）將優(yōu)化后的驅動橋殼與輕量化之前的橋殼各個指標進行對比 ,確認輕量化設計方案的可行性。 （ 4）在有限元軟件中驅動橋殼進行強度、剛度和模態(tài)分析，驗證橋殼的強度與剛度是否符合各項要求 ,通過仿真結果得到橋殼的危險工況和危險區(qū)域。 （ 2）對橋殼在四種典型工況下進行受力分析 ,確定橋殼在各工況下的約束和受載情況。 研究內容與技術路線 本課題研究目標是學習 ANSYS 軟件，掌握有限元分析方法，對某載貨車的驅動橋殼進行靜態(tài)和動態(tài)分析，并對該驅動橋殼進行優(yōu)化設計。 （ 2）輕量化技術研究存在過多的重復性工作，創(chuàng)新性的設計方法較少。這有效地節(jié)省了原料，為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。 近年來 ,國內研究人員在橋殼輕量化研