【正文】 大應力和最大等效位移的大小和發(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 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品方案進行模擬仿真和評估的工具。 17 圖 傳統(tǒng)產品設計流程圖 從圖中可以看出，傳統(tǒng)的產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