【正文】 ........................................................................................... 50 致謝 .......................................................................................................................................... 52 附錄Ι：電子文檔清單 ........................................................................................................ 53 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 1 1 緒論 課題來源及意義 本課題來源于湖北汽車工業(yè)學院汽車工程系，是汽車設計與分析計算的子課題之一，是后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，為輕型載貨汽車的驅(qū)動橋殼設計提供參考 。 為安全起見，一般要加大安全系數(shù)，這使得生產(chǎn)周 期延長設計成本增加，而且生產(chǎn)出來的產(chǎn)品往往質(zhì)量過大。這樣，在圖紙最終完成后，就可以將設計正式投入生產(chǎn)，對實現(xiàn)最優(yōu)化設計、提高設計效率、縮短開發(fā)周期、節(jié)約成本具有重要意義。大 量實踐表明，由于受力復雜， 驅(qū)動橋殼 是各種車輛上比較容易出現(xiàn)破壞的部件之一。 1） 有限元法 有限元法由于能夠解決結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都非常任意的力學問題，因而在實際中得到廣泛應用，成為一種可靠的新的數(shù)值計算方法，并取得許多實際效益。應用有限元法，對車輛的所有結(jié)構(gòu)件、零部件，可以進行剛度、強度、穩(wěn)定性分析，可以進行模態(tài)分析再現(xiàn)振動模態(tài)，進一步可以計算動態(tài)響應，較真實地描繪出動態(tài)過程。 (2) 結(jié)構(gòu)動力學分析 ： 可分為兩類問題。 (3) 溫度場分析 ： 分析車輛結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布以及熱應力和熱變形的情況，包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)問題。 同樣，設計驅(qū)動橋 殼時，作為車輛的主要承載構(gòu)件之一，驅(qū)動橋殼形狀和受力都很復雜，因此，要精確計算出驅(qū)動橋殼各狀態(tài)下各處的應力是很困難的 [3， 4]。有時還采用在橋殼上貼應變片的電測方法，讓車輛在典型路段上滿載行駛或典型工況下工作，以測定橋殼的應力?；蛘邔驓た闯墒且缓喼Я海：四承┨囟〝嗝娴淖畲髴χ?。傳統(tǒng)的橋殼強度的計算方法，只能近似計算出橋殼某一斷面的應力平均值，不能完全反映橋殼上應力及其分布的真實情況。 有限元法作為一種現(xiàn)代化的結(jié)構(gòu)計算方法，在一定的前提條件下，可以計算出機械產(chǎn)品各處的位移、應力和應變。例如，美國的機械研究所、萬國汽車公司等，都曾經(jīng)使用有限元法計算過橋殼的 強度。而且，可以得 到 比較詳細的應力和變形的分布情況，以及應力集中區(qū)域和應力變化趨勢，這些都是傳統(tǒng)方法難以做到的。通過對驅(qū)動橋殼進行有限元分析計算，既可以分析驅(qū)動橋殼的變形、應力、應變、強度與剛度等情況，也可以分析比較各種設計方案，湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 3 在保證強度與剛度的前提下，為結(jié)構(gòu)的減重、改進以及優(yōu)化設計提出可行的措施和建議 [5]。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，計算出橋殼應力、變形分布和應力集中，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]。 陳朝陽介紹了多輸入 /多輸出理論模態(tài)分析的基本方法 [8]，并用該方法對模型進行了計算，得到其理論解；同時又對該模型進行了實驗模態(tài)分析，得到了實驗解。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。這不但說明模態(tài)分析在驅(qū)動橋的研究和設計中有著具體的應用，而且還是必要的。劉萬封根據(jù)結(jié)構(gòu)應變模態(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)響應模型，可以計算出任意載荷條件下結(jié)構(gòu)的應變響應，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]。人們對隨機現(xiàn)象的研究由來己久，但其在工程中的應用卻并非相伴而生?？紤]隨機性并在設計中引入可靠度，更真實 地 反映客觀現(xiàn)實，由此設計出的產(chǎn)品也更科學合理。為了使驅(qū)動橋的性能更為優(yōu)良，壽命更加符合人們的要求，包括橋殼、齒輪到半軸的 設計都必須將可靠度考慮進去。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。當人們不滿足于常規(guī)算法求解復雜問題時，現(xiàn)代優(yōu)化算法開始體現(xiàn)其作用。 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)設計部門的高度關(guān)注。 其中最有代表性的軟件是 ADAMS( Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件，是美國 MDI公司開發(fā)的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件 (現(xiàn)已被 MSC公司收購 )。 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。該程序使用了基于 Motif 標準的 GUI，可方便地訪問 ANSYS 的多種控制功能和選項。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用 [11]。 ANSYS 前處理器用于生成有限元模型，指定隨后求解中所需的選擇項； ANSYS 求解器用于施加載荷及邊界條件，然后完成求解運算； ANSYS 后處理提供了強大的后處理功能，使用戶很方便地獲得分析結(jié)果。 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、響應譜分析、隨機振動分析和屈曲分析。熱分析包括穩(wěn)態(tài)熱分析、瞬態(tài)熱分析、相變分析、和熱 結(jié)構(gòu)耦合分析。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。 ANSYS 還可以直接集成 到 Pro/E、 UG 等 CAD 環(huán)境中，真正作到 CAD/CAE 一體化。 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。 ANSYS 的主要技術(shù)特點 ANSYS 作為一個功能強大、應用廣泛的有限元分析軟件，其技術(shù)特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1） 數(shù)據(jù)統(tǒng)一。 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。 ANSYS 具有智能網(wǎng)格劃分功能，能根據(jù)模型的特點自動生成有限元網(wǎng)格； 5） 良好的優(yōu)化功能。 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 開放式的結(jié)構(gòu)使用戶可以利用 APDL 語言進行二次開發(fā)。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。以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理 PDM 為核心，組建一個基于網(wǎng)絡的產(chǎn)品研制虛擬仿真團隊，基于產(chǎn)品數(shù)字虛擬樣機，實現(xiàn)產(chǎn)品研制的并行仿真和異地仿真。開發(fā)這個協(xié)同仿真環(huán)境的平臺便是ANSYS Workbench[12]。這一特點也稱為 “實施性 ”； 2） 集成性： Workbench 把求解器看作一個組件，不論由哪個 CAE 公司提供的求解器都是平等的，在 Workbench 中經(jīng)過簡單開發(fā)都可直接調(diào)用； 3） 參數(shù)化： Workbench 與 CAD 系統(tǒng)的關(guān)系不同尋常。 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。最初 CAD技術(shù)并不是現(xiàn)今的 Computer Aid Design所指的計算機輔助產(chǎn)品設計，而是Computer Drawing所指的二維繪畫技術(shù)。參數(shù)化技術(shù)的成功應用，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。 CAD實體造型技術(shù)的發(fā)展又加速了計算機輔助工程 CAE的發(fā)展。它經(jīng)歷了探索發(fā)展、獨立發(fā)展、專家應用三個階段，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計者的技術(shù)。分析對象從彈性材料拓展到塑性、粘塑性和復合材料；應用領(lǐng)域則從固體力學拓展到流體力學、傳熱學等領(lǐng)域。汽車結(jié)構(gòu)設計領(lǐng)域也不例外，現(xiàn)代設計方法的引進打破了汽車結(jié)構(gòu)設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。 2） 將 UG 模型導入 ANSYS Workbench 中，并且針對其中出現(xiàn)的幾何模型數(shù)據(jù)湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 9 丟失問題進行局部修復，比如刪除重合面，填補缺失體等。 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 影響應力分布的因素。 考察各階模態(tài)對應的頻率 和振型特點 ， 并運用分析所得 的結(jié)果為工程實際提供有價值的理論參考 ，比如路面的激勵是否會引起橋殼的共振等 。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)。 這里所涉及到的鋼板沖壓焊接驅(qū)動橋殼，結(jié)構(gòu)上是一根空心梁。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 。 UG 軟件 介紹及 參數(shù)化 建模思想 UG 軟件介紹 UG 軟件是當前世界上最先進和緊密集成的、面向制造業(yè)的 CAX（即 CAD、 CAE、CAM 等的總稱）高端軟件。 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)品的設計進行初步的評定和檢查。 除上述之外， UG 也很容易實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新與開發(fā)。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。 UG 參數(shù)化建模思想和一般模塊介紹 汽車產(chǎn)品在今天也逐步走向系列化、標準化。下面舉一個標準件螺栓的例子來說明。 零件的形體分析 確定設計變量 和建模策略 對零件的各種參數(shù)進行提取 結(jié)合零件按形狀確定哪些參數(shù)是自由的 ，哪些是固定值。 圖 參數(shù)化模型圖 3） 設置參數(shù)之間的關(guān)系 。 圖 2. 4 可提取并修改的參數(shù)圖 5） 創(chuàng)建零件庫，輸入零件系列數(shù)據(jù)創(chuàng)建零件模型 。參數(shù)化設計的最大優(yōu)點就是能夠簡化重復建模的許多步驟。 此次畢業(yè)設計主要是采用 UG 軟件進行三維建模，因此有必要將在建模過程中經(jīng)常使用到的幾個模塊進行介紹： 1） UG/入口模塊，它是連接所有 UG 模塊的基礎(chǔ)。 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。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學 院 畢 業(yè) 論 文 14 5） UG/工程制圖模塊，它利用 UG 的復合建模技術(shù)，該模塊可生成尺寸與實體模型相關(guān)的工程圖，并保證隨著實體模型的改變而同步更新工程圖尺寸，包括消隱線和相關(guān)橫截面視圖在內(nèi)的二維視圖在模型修改時也會自動更新。 UG/Assembly Modeling 的主模型在整個裝配過程中可以進行設計和編輯。驅(qū)動橋殼是一個裝配組件，涉及到多個小部件。 如中間環(huán)形空心梁處比較薄，并且是一系列的曲 面過渡。一般來講，對于簡單的曲面，可以一次完成建模。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。 完成了對各組成部分的建模步驟后，接下來要進行的就是裝配過程。 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