【正文】 添加零件裝配關(guān)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(dāng)放在最后裝配 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 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 16 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(yīng)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(chǔ)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： 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 17 圖 驅(qū)動橋殼簡化模型 圖 驅(qū)動橋殼簡化模型剖視圖 比較驅(qū)動橋殼的完整模型（圖 ），簡化模型（ 圖 ） 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(chǔ)。 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(yīng)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(yīng)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(fù)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(dāng)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： max GF ?? （ ） 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： max 1 0eTtrT iiF r ?? （ ） 式中： maxeT （ N? m）是發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩； 1i 是變速器一檔的傳動比； gi 是驅(qū)動橋的主減速比； T? 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，即 取值為 [4]； r （ 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(dāng)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(dān) 。 建立驅(qū)動橋殼有限元模型 幾何模型的導(dǎo)入 在將 UG 軟件中建模生成的驅(qū)動橋殼 CAD 模型導(dǎo)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(xué)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 。 最后得到的 UG 簡化模型 見前面 圖 所示。從實踐中看，較之 IGES 格式，前者在導(dǎo)入過程中信息保留更完整，減少了模型的修復(fù) 工作，為有限元模型的建立提供更好的基礎(chǔ)。橋殼導(dǎo)入 ANSYS Workbench 以后的 模型如下 圖 ： 圖 驅(qū)動橋殼的導(dǎo)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(yù)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(xué)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(dāng)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 。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 22 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），如圖 。 圖 solid186 號 單元 圖 solid187 號單元 圖 驅(qū)動橋殼網(wǎng)格劃分模型 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 23 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 G 為 39200N； 發(fā)動機最大扭矩 maxeT 為 245 mN? ； 0i 為 ； 1i為 ；輪距為 1600mm；所選輪胎型號為 “ 普通 ” ，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 r 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(yīng)力值出現(xiàn)在半軸套管法蘭盤靠近鋼板彈簧座區(qū)域，其值為 。 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(yīng)力相對比較大。但是，從驅(qū)動橋殼整體的應(yīng)力分布情況來看，各處的應(yīng)力 均 值小于材料的許用應(yīng)力值，分布也比較符合實際的加湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 25 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。此時主要考慮橋殼湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 26 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： max 1 0eTtrT iiF r ?? = 0 . 6 2 4 5 4 . 7 1 6 . 1 7 1 0 5 2 2 ( N )0 . 4 0 6? ? ? ? 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兩端半軸套管上，約束 兩端 鋼板彈簧座： 圖 最大驅(qū)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 最大驅(qū)動力工況 mises 應(yīng)力圖 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 27 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。如圖 ，真實最大應(yīng)力值為 。 因此，滿足材料許用應(yīng)力值的要求。 對于這種個別點的應(yīng)力奇異，在有限元分析 中 可以通過 “ 不選擇該區(qū)域 ” 的方式，消除應(yīng)力奇異帶來的不良影響。其次，半軸套管最外端變形量也較大。后者是因為載荷和約束作用引起的，其每米變形量 ， 顯然小于 ，因此符合要求。此工況下邊界條件施加情況類似于前面的最大驅(qū)動力工況，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（ 與 切向力方向相反），約束鋼板彈簧座。應(yīng)力較大區(qū)域也出現(xiàn)在鋼板彈簧座附近，最大值為 。在 數(shù)值上，可以通過在應(yīng)力奇異點附近的區(qū)域選取一個合理點，得到其大致的真實最大應(yīng)力值。 此處的 應(yīng)力奇異 也是模 型中鋼板彈簧座尖角所造成，實際情況中應(yīng)力值會更小。 圖 最大 制 動力工況局部 mises 應(yīng)力圖 最大側(cè)向力工況 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 31 最大側(cè)向力工況下，汽車處于側(cè)滑臨界工況，驅(qū)動橋的全部載荷由側(cè)滑方向一側(cè)的車輪承擔(dān)。橋殼的這種極度危險狀況在實際中應(yīng)避免發(fā)生，但是在理論上作為一種極限工況，有其分析的價值 [19]。 單側(cè)承載車輪所承受的垂直方向的力為： 4000 39200( N )vFG? ? ? ? 根據(jù)式（ ），最大側(cè)向力為： 39。之所以會出現(xiàn)這樣情況的應(yīng)力分布，是因為模型在半軸套管臺階與法蘭盤處相對較厚，從而產(chǎn)生一個過渡狀態(tài)，引起其附近區(qū)域的應(yīng)力變大。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 34 4 驅(qū)動橋殼的模態(tài)分析 汽車在行駛過程中，驅(qū)動橋殼既是承載件又是傳力件，主要承受路面不平度和輪胎 不平度所產(chǎn)生的激勵。模態(tài)是振動系統(tǒng)特性的一種表征，它實為構(gòu)成各種工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜振動的那些最簡單基本的振動形態(tài)。固有頻率表明在哪幾階頻率下會產(chǎn)生振動，固有振型則表明在各階頻率下結(jié)構(gòu)的相對變形，它們是進行各項動力分析的前提和基礎(chǔ)，為振動系統(tǒng)設(shè)計以及故障診斷提供了依據(jù)。 2） 在新產(chǎn)品設(shè)計中進行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估計及優(yōu)化設(shè)計 3） 診斷及預(yù)報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障 4） 控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲 結(jié)構(gòu)振動時，各階模態(tài)對噪聲所產(chǎn)生的影響并不相同，通過調(diào)整或抑制對噪聲影響較大的 “ 優(yōu)勢模態(tài) ” ，便可達到降低噪聲的目的。在模態(tài)分析中，將其看成是質(zhì)點、剛體及阻尼器構(gòu)成的系統(tǒng)，并將其離散成無限多個相互 彈性連接的剛體。其運動微分方程為： ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ?M U C U K U F t? ? ? （ ） 式中： ??M 、 ??C 、 ??K 分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣， ??U? 、 ??U? 、 ??U 分湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 35 別為振動 加速度、速度和位移列陣； F??t 為外載荷列陣。因此，研究固有頻率于振型時，可以不考慮外載荷與阻尼，此時得到無阻尼自由振動的運動方程為： ? ?? ? ? ?? ? 0K U M U?? （ ） 若結(jié)構(gòu)作如下簡諧運動： ? ?? ? ? ?t c o s t 0U ???? （ ） 式中， ? 為圓頻率， ??? 為特征向量，將（ ）代入（ ），可得： ? ? ? ?? ?? ?2 0KM???? 或： ? ?? ? ? ?? ?KM? ? ?? （ ） 稱式（ ）為廣義特征方程， ? 為特征值， 2??? 。由此得結(jié)構(gòu)的頻率方程為： ? ? ? ?KM?? （ ） 如果有 n 個節(jié)點，則式（ ）可以展開為： 1 1 1 1 1 2 1 2 1 12 1 2 1 2 2 2 2 2 21 1 2 20nnnnn n n n n n n nk m k m k mk m k m k mk m k m k m? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? 若結(jié)構(gòu)剛度矩陣 ??K 和質(zhì)量剛度矩陣 ??M 都是 n 階方陣，則式（ ）是 ? 的 n 次代數(shù)方程。 建立模態(tài)分析有限元模型 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 36 本課題所進行的模態(tài)分析，沿襲的是前面靜力分析的有限元模型，所以其單元類型和單元數(shù)并不發(fā)生變化。而 不能取其一半進行分析，否則就破壞了理論模態(tài)分析的真實性。載荷可以加在實體模型上或加在有限元模型上。這種自由狀態(tài)必然導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)剛體模態(tài)：三個位移模態(tài)，三個轉(zhuǎn)動模態(tài)。剛體模態(tài)對應(yīng)的固有頻率為零。 湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 37 自由模態(tài)分析 自由模態(tài)分析在有限元網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上，不添加任何約束和載荷力進行分析