【正文】 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。參數(shù)化技術的成功應用，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革命的核心。CAD實體造型技術的發(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。分析對象從彈性材料拓展到塑性、粘塑性和復合材料；應用領域則從固體力學拓展到流體力學、傳熱學等領域。汽車結(jié)構(gòu)設計領域也不例外，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)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?？疾旄麟A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；全相關是指不僅能在產(chǎn)品內(nèi)部保持尺寸大小的相關性，而且還具有結(jié)構(gòu)形狀的相關，即幾何相關，更要具有過程相關；快速反應機制的具體方面有兩個：逆向工程（RP）技術與快速成型（RP）技術，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。再次結(jié)合UG軟件參數(shù)化建模的特點來確定合適的建模方法 參數(shù)化建模思路圖本例參數(shù)化建模的過程：1）根據(jù)圖紙和自由變化參數(shù)確定建模方法。 參數(shù)化模型圖3）設置參數(shù)之間的關系。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。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。5）UG/工程制圖模塊，它利用UG的復合建模技術，該模塊可生成尺寸與實體模型相關的工程圖，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：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 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： 驅(qū)動橋殼的UG裝配圖 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力分布情況。1）對于一些不影響分析結(jié)果的部件進行刪除處理，其中簡化的地方包括：壓入的半軸套管、主減速器殼、后蓋等等。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。對于中間空心梁區(qū)域的幾何特征，因為是去除后蓋的簡化模型，所以采用基準平面兩端偏置，在旋轉(zhuǎn)體上削去兩邊球冠。在此基礎上，然后再生成驅(qū)動橋殼兩端的半軸套管。驅(qū)動橋殼的簡化模型如下圖所示： 驅(qū)動橋殼簡化模型 驅(qū)動橋殼簡化模型剖視圖比較驅(qū)動橋殼的完整模型（），簡化模型（）作了很多的處理，這為下一步的有限元模型建立，如網(wǎng)格劃分等，奠定了良好的模型基礎。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，以測定橋殼的應力。 靜力分析概述靜力分析包括對結(jié)構(gòu)的剛度和強度進行分析這兩方面。強度是機械零件正常工作必須滿足的最基本要求。強度是指零件抵抗這類失效的能力。前者是拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)等涉及零件整個體積的強度。在體積強度和接觸強度中，又可以各自分為靜強度和動強度。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。如果驅(qū)動橋殼的剛度不足，就可能產(chǎn)生開裂的情況，影響整車的性能[15]。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）。下面我們對驅(qū)動橋殼的這幾種典型工況作詳細闡述[16]：1）沖擊載荷工況當汽車高速通過不平路面時，橋殼除承受靜止狀態(tài)下那部分載荷外，還承受附加的沖擊載荷。動載荷大小為： （）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。最大驅(qū)動力大小為： （）式中：（Nm）是發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩；是變速器一檔的傳動比；是驅(qū)動橋的主減速比；是指傳動系的傳動效率，在計算中無確切的傳動效率數(shù)據(jù)時，可以忽略不計， [4]；（m）是驅(qū)動車輪的滾動半徑。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。4）最大側(cè)向力工況當汽車滿載高速急轉(zhuǎn)彎時，會產(chǎn)生一個作用于質(zhì)心處的很大的離心力，即側(cè)向力。側(cè)向力一旦超過側(cè)向附著力，汽車就會發(fā)生側(cè)滑。側(cè)翻工況時驅(qū)動橋的全部載荷由外側(cè)車輪承擔。 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。首先，CAD建立幾何模型的初始階段，必須根據(jù)驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)和工作特點，在保持其力學性能不變的條件下，對橋殼結(jié)構(gòu)進行如下簡化：1）將橋殼結(jié)構(gòu)中的圓角簡化為直角。從實踐中看，較之IGES格式，前者在導入過程中信息保留更完整，減少了模型的修復工作，為有限元模型的建立提供更好的基礎。橋殼導入ANSYS Workbench以后的模型如下圖： 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置了幾種常用的材料類型。有限元網(wǎng)格模型的建立是進行有限元分析的先決條件，結(jié)果的可靠與否主要取決于計算的數(shù)學模型是否與實際結(jié)構(gòu)相符合。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。當對整個實體模型進行掃略時，可能會出現(xiàn)局部接觸面上的網(wǎng)格過于稀松影響計算結(jié)果。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。solid186是一個高階3維20節(jié)點固體結(jié)構(gòu)單元，solid186具有二次位移模式可以更好的模擬不規(guī)則的網(wǎng)（例如通過不同的CAD/CAM 系統(tǒng)建立的模型）。 solid186號單元 solid187號單元 驅(qū)動橋殼網(wǎng)格劃分模型 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]：滿載時后軸載荷為39200N；發(fā)動機最大扭矩為245；；；輪距為1600mm；所選輪胎型號為“”，從而可得其自由半徑r為406mm，進行分析時，通常不計滾動半徑與自由半徑的差別，統(tǒng)稱為車輪半徑r[18]。兩端半軸套管施加約束。最大應力值出現(xiàn)在半軸套管法蘭盤靠近鋼板彈簧座區(qū)域。并且在法蘭盤處出現(xiàn)了材料厚度的變化，造成了其附近較薄區(qū)域的應力相對比較大。但是，從驅(qū)動橋殼整體的應力分布情況來看，各處的應力均值小于材料的許用應力值，分布也比較符合實際的加載和約束情況。這是因為約束位置在兩端半軸套管，載荷加在中間鋼板彈簧座上，使得橋殼中段結(jié)構(gòu)以半軸套管為中心向下發(fā)生變形，從而造成中間位置變形量較大。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。此時主要考慮橋殼承受的垂直力和輪胎切向最大牽引力。根據(jù)式（）最大驅(qū)動力為：=，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： 最大驅(qū)動力工況約束載荷圖橋殼的mises應力圖和變形圖如下所示： 最大驅(qū)動力工況mises應力圖 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。針對這種“危險”情況的出現(xiàn)，下面作進一步的分析。橋殼的許用彎曲應力為300～500MPa，許用扭轉(zhuǎn)應力為150～400MPa，可鍛鑄鐵橋殼取小值，鋼板沖壓焊接橋殼取大值。并且，這個局部應力集中危險點