基于ANSYS的汽車驅(qū)動橋殼的有限元分析

基于ANSYS的汽車驅(qū)動橋殼的有限元分析,基于,ansys,汽車,驅(qū)動,有限元分析 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 設(shè)計(jì)(論文)題目： 基于ANSYS的汽車驅(qū)動橋殼的有限元分析 學(xué)生姓名： 二級學(xué)院： 班　　級： 提交日期： 目錄 目 錄 摘 要 III Abstract IV 1緒 論 1 1.1驅(qū)動橋殼的分類 1 1.2課題研究背景 1 1.3 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.4課題研究的內(nèi)容 3 1.5 本章小節(jié) 3 2 有限元理論及建模軟件介紹 4 2.1 有限元基本方法介紹 4 2.2 ANSYS軟件介紹 4 2.3 CATIA軟件介紹 5 2.4 本章小節(jié) 5 3 驅(qū)動橋殼三維模型建立 6 3.1 橋殼實(shí)體模型的簡化 6 3.2 橋殼幾何模型建立過程 6 3.3 本章小節(jié) 10 4 驅(qū)動橋殼的靜力學(xué)分析 11 4.1 靜力分析概述 11 4.2 靜力分析典型工況 11 4.3 驅(qū)動橋殼有限元模型的建立 12 4.3.1 幾何模型的導(dǎo)入 12 4.3.2 材料屬性和網(wǎng)格劃分 13 4.4驅(qū)動橋殼各工況靜力分析 14 4.4.1最大垂向力工況 14 4.4.2 最大驅(qū)動力工況 16 4.4.3最大側(cè)向力工況 18 4.5本章小節(jié) 20 5驅(qū)動橋殼模態(tài)分析 21 5.1模態(tài)分析概述 21 5.2模態(tài)分析理論 21 5.3驅(qū)動橋殼有限元模型模態(tài)分析 23 5.4模態(tài)分析總結(jié) 28 5.5 本章小結(jié) 29 6結(jié)論 30 參考文獻(xiàn) 31 致 謝 32 II 摘要 基于ANSYS的汽車驅(qū)動橋殼的有限元分析 摘 要 汽車驅(qū)動橋是一輛汽車主要的承載件和傳力件，不僅要承受車輪傳遞給它的路面反力和反力矩，還要把這些力通過懸架傳遞給車架。驅(qū)動橋殼的使用壽命決定了一輛汽車能夠正常運(yùn)行的時(shí)間。所以驅(qū)動橋殼的強(qiáng)度、剛度必須要滿足要求，同時(shí)還應(yīng)該具備較好的疲勞耐久性。要想提高汽車的舒適性并且在行駛過程中保證它的可靠性，在驅(qū)動橋殼的設(shè)計(jì)過程中就必須注意這些問題，對其進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。 本課題以某重型貨車驅(qū)動橋殼作為研究對象，對其驅(qū)動橋殼進(jìn)行有限元分析并且分析后對此驅(qū)動橋殼提出合理化建議。研究的第一步，先創(chuàng)建該橋殼的三維實(shí)體模型；模型建立好后，再把模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中。對模型定義材料屬性，劃分網(wǎng)格后，選取三種典型工況來對此模型進(jìn)行靜力分析，得到橋殼在這三種工況下的等效應(yīng)力云圖和位移圖，再通過計(jì)算判斷橋殼的強(qiáng)度和剛度符不符合要求；然后在自由狀態(tài)下對橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，得到橋殼每階的固有頻率和橋殼每階對應(yīng)的振型。最后通過這些分析，對橋殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出可行性的建議。 關(guān)鍵詞：ANSYS 驅(qū)動橋橋殼 靜態(tài)分析 模態(tài)分析 III Abstract Automotive drive axle shell finite element analysis based on ANSYS Abstract Automotive drive axle housing is mainly used to carry the weight of the bear by the wheel from the road surface reaction force and the torque, and through the suspension frame. The service life of the drive axle housing will directly affect the useful life of the car, so the drive axle housing should have the strength, stiffness, good fatigue durability. For the reasonable design of drive axle housing is the important measures to improve the vehicle comfort and safety. Subject to heavy duty truck? drive axle housing for reference, the automobile drive axle housing finite element analysis and optimization design. First to establish the models of drive axle housing?three-dimensional model, Then put the three-dimensional model into ANSYS software, through ANSYS software of drive axle housing in three kinds of typical working conditions for static analysis, get the locations of drive axle housing under three conditions of stress and displacement distribution laws. And then modal analysis was carried out on the drive axle housing to get order natural frequency and the corresponding vibration mode. Finally, put forward feasible measures and Suggestions for bridge housing design. Key words: ANSYS drive axle housing Static analysis Modal analysis Fatigue strength analysis IV 第1章 緒論 1緒 論 1.1驅(qū)動橋殼的分類 驅(qū)動橋殼是用來裝配主減速器、差速器、半軸的基體，是汽車的主要承載件。不僅要承受車輪傳遞過給它的路面反力和反力矩，還要把這些力通過懸架傳遞給車架。驅(qū)動橋殼一般有三種形式：可分式的、整體式的、組合式的橋殼。 （1）可分式橋殼 可分式橋殼可以分為左右兩部分。通過螺栓可以把左右兩部分連接成一體。這兩部分包含鑄造殼體和半軸套管，它們是用鉚釘連接的。這種類型的橋殼結(jié)構(gòu)相對其他兩種橋殼來說其結(jié)構(gòu)比較簡單?？煞质綐驓さ闹圃旃に囕^好，但是在拆裝維修時(shí)比較麻煩。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的原因這種類型橋殼的強(qiáng)度、剛度相對較小，之前都是提供給一些輕量的汽車使用，現(xiàn)在已經(jīng)很少了。 （2）整體式橋殼 整體式橋殼其實(shí)就是一根空心梁。橋殼為一體，主減速器殼為一體。整體式橋殼的強(qiáng)度和剛度較大，在主減速器進(jìn)行維修時(shí)很方便。整體式橋殼有三種形式：鑄造式、鋼板沖壓焊接式和擴(kuò)張成形式。由于整體式橋殼的質(zhì)量比較大，需要加工的面比較多，因此制造起來比較麻煩，主要用于質(zhì)量較大的貨車上。本課題研究的對象就是這種整體式的橋殼。 （3）組合式橋殼 組合式橋殼是將主減速器殼與部分橋殼鑄造為一體。然后在殼體兩端壓入沒有縫隙的鋼管，用塞焊固定它們。組合式橋殼在對主減速器的進(jìn)行維修時(shí)還是很方便的；因?yàn)閷庸っ芏鹊囊蟊容^高，所以經(jīng)常用在乘用車和總質(zhì)量比較輕的商用車上。 1.2課題研究背景 汽車驅(qū)動橋處于汽車傳動系的末端。它的作用是增加扭矩、降低速度，改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向，同時(shí)合理分配轉(zhuǎn)矩給左、右驅(qū)動車輪。除此之外，驅(qū)動橋還要受來自車輪傳遞給它的路面反力以及反力矩。汽車只要行駛，驅(qū)動橋就會工作，驅(qū)動橋殼就會受力。汽車使用的頻率也就決定了橋殼的工作頻率，所以橋殼經(jīng)常容易發(fā)生故障。汽車驅(qū)動橋殼要確保汽車在各種情況下能夠正常運(yùn)行，有時(shí)路況比較復(fù)雜，車輛可能會緊急剎車、轉(zhuǎn)彎等，導(dǎo)致了橋殼的工作環(huán)境很惡劣。 橋殼的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手法都是采用類比法。把要設(shè)計(jì)的橋殼和現(xiàn)實(shí)已經(jīng)有的橋殼進(jìn)行類比，在現(xiàn)有的橋殼基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。然后會把改進(jìn)后的橋殼拿去試驗(yàn)，對它進(jìn)行試生產(chǎn)。因?yàn)槭窃嚿a(chǎn)所以有很多不確定的因素，所以導(dǎo)致生產(chǎn)周期變長，生產(chǎn)成本增加。本課題利用有限法對橋殼進(jìn)行有限元分析，為橋殼之后的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出合理的建議。 1.3 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外對橋殼研究的現(xiàn)狀如下： 日本五十鈴公司曾經(jīng)做過橋殼結(jié)構(gòu)計(jì)算方面的研究。他們把橋殼的后蓋忽略點(diǎn)，將主減速器安裝處的凸包簡化成規(guī)則的環(huán)形。最后他們利用彈性力學(xué)的方法對橋殼進(jìn)行了變形和應(yīng)力計(jì)算。這種彈性力學(xué)的計(jì)算方法很精確，但是對驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)做了不少簡化處理，因而最后計(jì)算得出的結(jié)果并不是很精確。 土耳其的M.M Topic,研究了后橋殼在垂直疲勞試驗(yàn)中過早失效的問題。先建立CAD模型，然后通過有限元法對驅(qū)動橋殼的固有頻率、振型和疲勞壽命、應(yīng)力以及應(yīng)變進(jìn)行分析，把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析出來的結(jié)果進(jìn)行對比，找出驅(qū)動橋殼失效的真正原因。用這種方法對橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使橋殼的使用壽命得到了提高。 國內(nèi)對橋殼研究的現(xiàn)狀如下： 南京理工大學(xué)的鄭慧琳，利用ANSYS軟件對某微型車驅(qū)動橋殼進(jìn)行了有限元分析，用有限元法模擬出微型車驅(qū)動橋殼的模型，然后對其進(jìn)行垂直彎曲剛度、靜強(qiáng)度和垂直彎曲疲勞試驗(yàn)。結(jié)果表明該款橋殼的強(qiáng)度、剛度、疲勞強(qiáng)度滿足需求。通過實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法對有限元法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。 林正祥通過CATIA軟件對某中型貨車非斷開式驅(qū)動橋殼建模，用有限元軟件ABAQUS對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且用ANSYS workbench對其進(jìn)行疲勞壽命的分析和力學(xué)性能的分析，得到橋殼疲勞壽命的數(shù)據(jù)以及動態(tài)特性參數(shù)。分析出橋殼主殼體與半軸套管過盈裝配對橋殼壽命產(chǎn)生影響的規(guī)律。 楊波，羅金橋用ANSYS軟件對某車型驅(qū)動橋殼進(jìn)行有限元分析，對傳統(tǒng)計(jì)算橋殼強(qiáng)度的方法進(jìn)行分析和研究，總結(jié)出了有限元法的以下優(yōu)點(diǎn)：能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量，使產(chǎn)品的開發(fā)周期大大縮短，可以降低試驗(yàn)次數(shù)和開發(fā)成本，節(jié)約資源，能夠提高汽車的安全性、舒適性、平穩(wěn)性。 南理工的孫忠云，選取了某車型汽車驅(qū)動橋殼，結(jié)合理論的分析，對橋殼建立有限元模型，然后對它進(jìn)行分析，得出驅(qū)動橋殼應(yīng)力分布冗余的區(qū)域。他還對橋殼殼體結(jié)構(gòu)和半軸管套進(jìn)行了優(yōu)化，最后使得橋殼整體壁厚的分布得到改善。 1.4課題研究的內(nèi)容 本課題選了某重型貨車驅(qū)動橋殼進(jìn)行研究，對橋殼進(jìn)行有限元分析并且分析后對此驅(qū)動橋殼提出合理化建議。研究的第一步，先創(chuàng)建該橋殼的三維實(shí)體模型；模型建立好后，再把模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中。對模型定義材料屬性，劃分網(wǎng)格后，選取三種典型工況來對此模型進(jìn)行靜力分析，得到橋殼在這三種工況下的等效應(yīng)力云圖和位移圖，再通過計(jì)算判斷橋殼強(qiáng)度和剛度是不是符合要求；然后再對橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，得到橋殼每階的固有頻率和每階的振型。最后通過這些分析，對橋殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理提出個(gè)人的建議。 1.5 本章小節(jié) 本章主要介紹了驅(qū)動橋殼的分類，本課題研究的背景，國內(nèi)外關(guān)于汽車驅(qū)動橋殼的研究現(xiàn)狀，對國內(nèi)外已經(jīng)研究出的成果進(jìn)行了闡述。并分析了課題研究的技術(shù)路線，聯(lián)系實(shí)際提出本課題的研究意義。 32 第2章 有限元理論及建模軟件介紹 2有限元理論及建模軟件介紹 2.1 有限元基本方法介紹 從二十實(shí)際七十年代起，有限元法的出現(xiàn)成為研究機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度非常有力的分析工具。隨著計(jì)算機(jī)水平的提高，CAD，CATIA等技術(shù)在國際上的應(yīng)用，包括有限元軟件的出現(xiàn)，使得人們開始著手用有限元方法研究汽車驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)。 有限元法的基本思想，是在力學(xué)模型上把原來連續(xù)的物體離散成有限個(gè)單元，并且在節(jié)點(diǎn)上用等效力代替實(shí)際作用在單元上的外力。每一個(gè)單元，都可以選擇一種函數(shù)來表示單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，然后再建立單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系。最后把所有的單元關(guān)系集中，就能夠得出一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程組，解出方程組就能夠求得物體上有限個(gè)離散節(jié)點(diǎn)上的位移。 利用有限元法解決問題，總結(jié)起來可以分成以下6個(gè)步驟[1-6]： （1）結(jié)構(gòu)的離散化。在有限元法中結(jié)構(gòu)的離散化過程，將要解析的對象分為有限個(gè)小單元體，并在單元體中選定一些點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)，各個(gè)單元體之間的連接只在規(guī)定的節(jié)點(diǎn)處。 （2）位移模式的選擇。一般采用多項(xiàng)式。 （3）分析單元的力學(xué)性能。單元剛度矩陣把節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力聯(lián)系在一起。通過剛度矩陣k、節(jié)點(diǎn)力矢量f和節(jié)點(diǎn)位移矢量q的平衡關(guān)系可得知如下的線性代數(shù)方程組 kq=f (2-1) （4）考慮到整體的總剛度矩陣，聯(lián)立方程為 KQ=F （2-2） （5）求解未知的節(jié)點(diǎn)位移及單元應(yīng)力 （6）輸出單元的應(yīng)變和應(yīng)力。根據(jù)具體情況而定，或許還要得出一些其他的導(dǎo)出量。 2.2 ANSYS軟件介紹 ANSYS軟件的主要功能有：可以廣泛運(yùn)用到力學(xué)，熱學(xué)，運(yùn)動學(xué)等數(shù)個(gè)領(lǐng)域，它的通用性非常好，所以被運(yùn)用在各行各業(yè)。ANSYS有良好的用戶開發(fā)環(huán)境，可以很好的與CATIA等建模軟件對接；能夠同時(shí)研究產(chǎn)品的多個(gè)參數(shù)值；軟件自帶求解功能能夠幫助研究人員方便求解；可以對實(shí)際生活中的力學(xué)分析進(jìn)行簡化，減少工作量；還能夠進(jìn)行非線性分析；具有很好的與其他軟件的數(shù)據(jù)兼容特性。它的快速求解功能得到了越來越多研究人員的認(rèn)可。 ANSYS軟件的分析過程主要擁有三部分: 前處理、求解計(jì)算與后處理。 （1）前處理：ANSYS的前處理模塊，主要是為有限元分析做準(zhǔn)備工作的。其主要有兩個(gè)部分：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。 用戶可以使用兩種不同的方法進(jìn)行建模，分別是自底向上與自頂向下。自底向上的方法就是從“點(diǎn)”→“線”→“面”→“體”逐級向上建立實(shí)體模型。與之相對的自頂向下的方法就是把自底向上的過程反過來，其需要用戶先建一個(gè)高級圖元，ANSYS軟件會自動生成圖元上的“點(diǎn)” 、“線”、 “面”。雖然這兩種方法不同，但都可以使用布爾運(yùn)算來確保模型相互連接。 自底向上和自頂向下這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)十分明顯。自底向上建模需要詳細(xì)了解模型的尺寸及關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，這保證了震中建模方式很少出錯(cuò)，但由于需要建立所有的關(guān)鍵點(diǎn)導(dǎo)致其建模效率極其低下。自頂向下建模的效率就高了，但是它需要使用布爾運(yùn)算將高級的圖元連接起來，而布爾運(yùn)算很難掌握。選用哪種方法就看用戶的喜好了，而且有限元模型可以用外部建模軟件建立，再導(dǎo)入ANSYS。 網(wǎng)格劃分的方法有四種：延伸劃分、映像劃分、自適應(yīng)劃分和自由劃分。 （2）求解計(jì)算：這個(gè)模塊主要是用來對模型進(jìn)行有限元分析的，其功能十分強(qiáng)大，提供了多種分析類型。使用這個(gè)模塊需要有已經(jīng)劃分網(wǎng)格的實(shí)體模型，然后選擇分析的類型并設(shè)置分析選項(xiàng)。做好之后就要對模型施加載荷和約束，如果有需要還要設(shè)置載荷步。設(shè)置完成后就可以執(zhí)行計(jì)算求解。 （3）后處理：ANSYS軟件的后處理過程包含兩個(gè)部分：通用后處理、時(shí)間歷程后處理。 我們經(jīng)?？吹降膽?yīng)力應(yīng)變云圖就是使用通用后處理模塊來實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)模塊的主要功能就是將分析結(jié)果以圖表的形式輸出。而時(shí)間歷程后處理模塊輸出結(jié)果使用列表或曲線，因此此模塊還具有曲線的代數(shù)運(yùn)算功能。 2.3 CATIA軟件介紹 CATIA軟件是法國Dassault System 公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，位居世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，CATIA軟件在航空航天、汽車制造、造船、機(jī)械制造、電子電器等行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。本課題利用CATIA V5 R21軟件對研究對象進(jìn)行三維建模。 CATIA V5是實(shí)現(xiàn)人員、工具、方法和資源真正集成的基礎(chǔ)。主要基礎(chǔ)功能包括：CATIA零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、創(chuàng)成式工程繪圖、事實(shí)渲染產(chǎn)品、線架和曲面、創(chuàng)成式零件結(jié)構(gòu)分析等。 2.4 本章小節(jié) 本章節(jié)主要介紹了有限元法的基本思想和有限元法分析計(jì)算的基本步驟，同時(shí)還介紹了ANSYS軟件的發(fā)展歷程和ANSYS軟件在分析過程中主要包含的三部分。通過對這些基礎(chǔ)知識的了解，我們可以對ANSYS軟件有更深的認(rèn)識。最后，本章還簡單介紹了CATIA軟件。 第3章 驅(qū)動橋殼三維模型建立 3 驅(qū)動橋殼三維模型建立 3.1 橋殼實(shí)體模型的簡化 幾何模型的建立是進(jìn)行有限元分析的前提和基礎(chǔ)，本課題用某重型貨車驅(qū)動橋殼為對象，對其進(jìn)行靜力分析和自由模態(tài)分析。因?yàn)闃驓せ旧鲜怯刹灰?guī)則曲面組成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，本課題用CATIA軟件對其進(jìn)行三維建模。橋殼的尺寸參數(shù)如下：輪距 1830mm，板簧距 1040mm，壁厚 16mm。 驅(qū)動橋殼進(jìn)行幾何建模時(shí)，有些地方結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了便于有限元分析，因此對橋殼做了如下簡化： （1）橋殼結(jié)構(gòu)中帶有圓倒角的部分全部看作是直角，這樣做可以有利于網(wǎng)格的劃分 （2）把橋殼結(jié)構(gòu)中那些不利于建模和有限元分析的幾何特征全部忽略掉，如加油口、開口槽等； （3）驅(qū)動橋殼和半軸管套可以看做一個(gè)整體； （4）把受力較小容易導(dǎo)致截面突變的部分簡化，例如把橋殼兩端軸承座的臺階省略 （5）把橋殼部分結(jié)構(gòu)看做是均勻的，等厚度的 簡化完成后，在建模時(shí)只要畫出橋殼的殼體，橋殼兩端的半軸套管，兩個(gè)板簧座就可以了。 3.2 橋殼幾何模型建立過程 （1）先打開CATIA軟件，點(diǎn)擊“開始”，選擇機(jī)械設(shè)計(jì)>零件設(shè)>輸入零件名稱：qdqk。先以YOZ平面為基準(zhǔn)，向右平移520mm得到板簧座的中心面。如圖3-1所示。 圖3-1板簧座中心面創(chuàng)建 （2 ）在XOY平面上繪制橋殼四分之一草圖。選取XOY為基準(zhǔn)面，點(diǎn)擊“草圖”命令。在XOY平面上，用輪廓線、圓、修剪、圓角命令畫出橋殼的四分之一的草圖，并做好草圖的尺寸約束。如圖3-2所示。 圖3-2橋殼本體部分草圖 （3）因?yàn)闃驓な菍ΨQ的，所以四分之一的橋殼草圖通過鏡像就可以得到完整的驅(qū)動橋殼本體。先把橋殼四分之一草圖通過X軸鏡像，再通過Y軸鏡像，就得到了完整的驅(qū)動橋殼的草圖。如圖3-3所示。 圖3-3橋殼本體完整草圖 （4）退出草圖模式，對橋殼平面圖紙進(jìn)行拉伸，根據(jù)橋殼的數(shù)據(jù)拉伸，得到厚度為160mm的橋殼實(shí)體。如圖3-4所示。 圖3-4 拉伸草圖 （5） 以模型右端平面為基準(zhǔn)，把基準(zhǔn)平面向右平移50mm，得到一個(gè)新的基準(zhǔn)平面。在這平面上，畫一個(gè)半徑為80mm的圓。然后退出草圖模式。對此圓進(jìn)行拉伸。拉伸長度為170mm。如圖3-5，3-6所示所示。 圖3-5 圖3-6 （6）在所得到的圓柱和橋殼實(shí)體之間創(chuàng)建實(shí)體。如圖3-7所示。 圖3-7 （7）創(chuàng)建右端半軸套管。如圖3-8 圖3-8 （8）創(chuàng)建板簧座。先繪制板簧座草圖，然后退出草圖模式，對其進(jìn)行拉伸。如圖3-9。 圖3-9 （9）橋殼一端板簧座、半軸套管全部畫完以后對其進(jìn)行鏡像。鏡像完成后對所得到的實(shí)體，進(jìn)行抽殼。抽殼厚度為16mm。如圖3-10 圖3-10 (10)創(chuàng)建橋殼上的凸包。先畫出草圖，然后對其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。凸包畫完后，橋架實(shí)體模型就完成了。如圖3-11，3-12。 圖3-11 圖3-12 3.3 本章小節(jié) 本章節(jié)首先介紹了驅(qū)動橋殼模型在建立時(shí)要注意的問題，并提出應(yīng)該如何在保證驅(qū)動橋殼力學(xué)性能不變的情況下對其進(jìn)行簡化，然后詳細(xì)介紹了驅(qū)動橋殼三維建模的過程。 第4章 驅(qū)動橋殼的靜力學(xué)分析 4 驅(qū)動橋殼的靜力學(xué)分析 4.1 靜力分析概述 靜力分析是指對零件進(jìn)行強(qiáng)度分析和剛度分析。當(dāng)零件能夠抵抗外力，不發(fā)生斷裂和塑性變形，那么它的強(qiáng)度就是合格的。如果機(jī)械零件的強(qiáng)度不符合要求，那么在工作過程中就有可能發(fā)生斷裂，這是非常危險(xiǎn)的。機(jī)械零件的強(qiáng)度分為體積強(qiáng)度和面積強(qiáng)度。體積強(qiáng)度是指零件在被拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)的情況下所涉及到的零件整個(gè)體積的強(qiáng)度。面積強(qiáng)度是指零件被擠壓和被接觸時(shí)涉及到的零件表面層的強(qiáng)度。剛度是指零件在確定外力的作用下，不會發(fā)生彈性形變或者變形量很小。 4.2 靜力分析典型工況 汽車在行駛過程中，驅(qū)動橋殼受的力較多。在對橋殼所受力進(jìn)行計(jì)算的過程中，一般把橋殼的受力狀況簡化成三類典型工況：車輪承受最大垂向力工況、車輪承受最大驅(qū)動力工況、車輪承受最大側(cè)向力工況。橋殼的強(qiáng)度只要在這三種典型工況下符合要求，那么就可以認(rèn)為汽車在各種條件行駛，驅(qū)動橋殼都是可靠的。 （1）最大垂向力工況 汽車以高速行駛在路面不平的公路上時(shí)，橋殼除了要承受處于靜止?fàn)顟B(tài)下的一部分載荷以外，還要承受額外的沖擊載荷。這種情況可以認(rèn)為橋殼受到的垂向力最大。此時(shí)動載荷系數(shù)的取值為2.5。動載荷的大小為： （4-1） （2）最大驅(qū)動力工況 最大驅(qū)動力工況是指汽車在滿載情況下以最大牽引力作直線運(yùn)動時(shí)的工況，此時(shí)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是最大的。橋殼主要承受垂向力和側(cè)向力。最大驅(qū)動力大小為： （4-2） 上面的式子里面（Nm）表示發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩；（m）表示的是驅(qū)動車輪的滾動半徑；表示的是驅(qū)動橋的主減速比；表示的是傳動系的傳動效率；表示的是變速器一檔的傳動比；計(jì)算過程中傳動效率沒有明確說明時(shí)，取1；。 （3）最大側(cè)向力工況 汽車滿載并在高速轉(zhuǎn)彎的情況下，會產(chǎn)生很大的離心力。同時(shí)由于其他的外在因素，汽車也會受到側(cè)向力的作用。當(dāng)側(cè)向力比地面給輪胎的側(cè)向反作用力的最大值時(shí)還要大時(shí)，汽車就會發(fā)生側(cè)滑。驅(qū)動橋殼承受的側(cè)向力為： （4-3） 上面式子里面表示的是驅(qū)動橋殼所承受的側(cè)向力；是側(cè)滑附著系數(shù)，取值為1.0；為汽車靜止?jié)M載時(shí)驅(qū)動橋所承受的載荷；。 4.3 驅(qū)動橋殼有限元模型的建立 4.3.1 幾何模型的導(dǎo)入 將在CATIA中畫好的三維模型以model文件的格式導(dǎo)出，然后再把文件導(dǎo)入到ANSYS中。 打開ANSYS軟件，選擇File>Import>CATIA，點(diǎn)擊qdqkdmx.model 文件打開，因?yàn)閷?dǎo)到ANSYS的圖為線框，所以要先把線框變?yōu)閷?shí)體再進(jìn)行分析。點(diǎn)擊PlotCtrls>style>Solid Model Facets 出現(xiàn) style of area and volume plots的對話框，選擇Normal faceting 就得到了驅(qū)動橋殼的實(shí)體。如圖4-1所示。 圖4-1 驅(qū)動橋殼實(shí)體模型 4.3.2 材料屬性和網(wǎng)格劃分 驅(qū)動橋殼材料屬性：彈性模量為；密度；泊松比；屈服應(yīng)力為650MPa。第一步定義材料的各個(gè)屬性：> > Props>Material Models,在窗口選項(xiàng)里，依此點(diǎn)擊，然后單擊，輸入鋼材的彈性模量，泊松比，完成后點(diǎn)擊OK。 第二步單元格類型的定義：然后會出現(xiàn)一個(gè)窗口，點(diǎn)擊Add。選擇solid Brick 20node solid 186。即定義的橋殼模型單元類型為solid186。smart size選擇4。 網(wǎng)格劃分：，在彈出的窗口里面把 smart size 這個(gè)選項(xiàng)選擇下，并選擇數(shù)值4，點(diǎn)擊mesh,然后點(diǎn)擊pick all。劃分成功后，生成39912個(gè)節(jié)點(diǎn)，21533個(gè)單元。如圖4-2所示。 圖4-2 劃分網(wǎng)格后的橋殼 4.4驅(qū)動橋殼各工況靜力分析 4.4.1最大垂向力工況 汽車滿載時(shí)后軸的載荷為，對橋殼的板彈簧座施加2.5倍動載荷，這種狀況下橋殼只承受最大垂直力。根據(jù)式（4-1），施加的載荷大小為： 板簧座面積為，面載荷為。在兩板簧座表面加載此載荷。 加載方式：垂向力加載在板簧座上，垂向力垂直兩板簧座面向下 約束條件：約束橋殼一端輪距平面X、Y、Z方向自由度，另一端也約束X、Y、Z方向自由度。 進(jìn)行約束加載得到此工況下驅(qū)動橋殼的等效應(yīng)力分布云圖和位移云圖。如圖4-3，圖4-4所示。 圖4-3 最大垂向力工況應(yīng)力圖 圖4-4 最大垂向力工況位移圖 分析:從圖4-3中，可以看出板簧座與半軸套管之間區(qū)域的應(yīng)力值較大，半軸套管連接主殼體位置的應(yīng)力值最大為496MPa,小于材料的區(qū)服應(yīng)力650MPa，其他區(qū)域的應(yīng)力值都較小，因此橋殼的強(qiáng)度滿足要求。 從圖4-4中，可以看到橋殼位移變形量的最大值出現(xiàn)在橋殼的中間位置，位移變形量從橋殼中心往兩邊逐漸減小。變形量最大值為0.95mm，可以算出輪矩每米的變形量為。因?yàn)閷驓啥说陌胼S套管施加約束，載荷施加在板簧座上，橋殼中間位置以半軸套管為中心發(fā)生變形，使得橋殼中間部位產(chǎn)生的變形最大。滿載時(shí)輪距每米最大變形量小于汽車驅(qū)動橋臺架試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)規(guī)定的1.5mm/m，所以橋殼的剛度符合要求。 4.4.2 最大驅(qū)動力工況 最大驅(qū)動力工況下，汽車滿載并且發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩最大。這種工況下橋殼主要承受垂向力和最大牽引力。垂向力大小為： ， 面載荷為 ；表示最大驅(qū)動力時(shí)驅(qū)動橋殼的負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù) 已知，，，，由式（4-2）算出橋殼一側(cè)所受牽引力為： 在任意一側(cè)半軸套管上車輪中心距處選一節(jié)點(diǎn)，半軸套管的半徑為0.06m，根據(jù)力矩平衡，該節(jié)點(diǎn)受到前進(jìn)方向的力為，另一側(cè)計(jì)算方法一樣。 加載方式：垂向力加在板簧座上，垂向力垂直板簧座，側(cè)向力加在半軸套管上沿運(yùn)動方向 約束條件：半軸套管內(nèi)約束X、Y、Z方向的自由度 進(jìn)行約束加載得到最大驅(qū)動力工況驅(qū)動橋殼的應(yīng)力分布云圖和等效位移分布云圖。如圖4-5，圖4-6所示。 圖4-5最大驅(qū)動力工況應(yīng)力分布云圖 圖4-6最大驅(qū)動力工況下等效位移云圖 分析：從圖4-5中可以看到板簧座附近的應(yīng)力值較大，最大值出現(xiàn)在半軸套管連接處，其值為238.56MPa，小于材料的屈服應(yīng)力。其他區(qū)域應(yīng)力值較小，因此橋殼的強(qiáng)度滿足要求。 從圖4-6中可以看出最大位移變形量出現(xiàn)在橋殼中間位置，最大變形量為0.45mm，計(jì)算得到輪距每米變形量為，其值小于汽車驅(qū)動橋臺架試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)規(guī)定的1.5mm/m，因此橋殼的剛度符合要求。 4.4.3最大側(cè)向力工況 最大側(cè)向力工況下，選取左側(cè)滑情況為例。左側(cè)承載車輪所承受的垂向力為：；根據(jù)式（4-3），最大側(cè)向力為： 加載方式：垂向力加載在板簧座上，側(cè)向力沿側(cè)滑方向加載在半軸套管上 約束條件：板簧座一端約束X、Y、Z方向自由度，另一端約束Y、Z方向自由度 進(jìn)行約束加載得到最大驅(qū)動力工況驅(qū)動橋殼的應(yīng)力分布云圖和等效位移云圖。如圖4-7，圖4-8所示。 圖4-7最大側(cè)向力工況應(yīng)力圖 圖4-8最大側(cè)向力工況位移圖 分析：由圖4-7中可知，應(yīng)力主要集中在左側(cè)板簧座和半軸管套區(qū)域，應(yīng)力最大區(qū)域?yàn)樽髠?cè)板簧座附近，最大值為385MPa,小于材料的屈服應(yīng)力，其他區(qū)域應(yīng)力值較小，因此橋殼的強(qiáng)度滿足要求。 由圖4-8中可知，位移變形量的最大值在左端半軸管套處，其值為0.66mm,每米輪距變形量為0.66/1.83=0.36mm/m,小于國家標(biāo)準(zhǔn)的1.5mm/m。因此橋殼的剛度符合要求。 4.5本章小節(jié) 本章首先介紹了靜力學(xué)的一些概念，一個(gè)零件對其進(jìn)行靜力學(xué)分析，只要滿足剛度和強(qiáng)度的要求，則該零件就是合格的。因此，本章選取驅(qū)動橋殼的三種典型工況，對其進(jìn)行靜力學(xué)分析。先把橋殼導(dǎo)入ANSYS中，對其材料屬性進(jìn)行定義，然后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再對其進(jìn)行三種工況下的靜力分析，根據(jù)分析得到的數(shù)據(jù)判斷其強(qiáng)度和剛度是否滿足條件。 第5章 驅(qū)動橋殼模態(tài)分析 5驅(qū)動橋殼模態(tài)分析 5.1模態(tài)分析概述 汽車行駛過程中，驅(qū)動橋殼既要承受汽車的重量又要把車輪傳遞給它的路面反力和反力矩傳給車架。由于路面不平整，輪胎和路面就會激勵，這些激勵都由驅(qū)動橋殼承擔(dān)。因此在設(shè)計(jì)驅(qū)動橋前，應(yīng)該對驅(qū)動橋殼好好分析研究，這一步至關(guān)重要。模態(tài)實(shí)際上是指構(gòu)成復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)振動的那些最簡單的振動形態(tài)。通過模態(tài)分析可以確定零件結(jié)構(gòu)的振動特性，從模態(tài)分析中我們可以得到零件的固有頻率和振型等系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。在振動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和故障診斷方面，利用模態(tài)分析可以為其提供保障。 模態(tài)分析的應(yīng)用有以下幾個(gè)方面： （1）模態(tài)分析不僅可以對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進(jìn)行評價(jià)，還可以得到結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)參數(shù)。從得到的參數(shù)，可以判斷結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性是否滿足要求，同時(shí)還可以驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。 （2）新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，利用模態(tài)分析可以對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和預(yù)先估計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性 （3）診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障 （4）可以控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲，當(dāng)結(jié)構(gòu)振動時(shí)，根據(jù)各階模態(tài)對噪聲所產(chǎn)生影響的不同，找到噪聲最低的那一模態(tài)，從而降低噪音。 （5）識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的載荷 5.2模態(tài)分析理論 橋殼是一個(gè)自由度很多的構(gòu)件。在對其進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，可以把其橋殼看作由質(zhì)點(diǎn)、剛體和阻尼器構(gòu)成的系統(tǒng)。將其離散化，變成無限個(gè)相互連接的剛體。相當(dāng)于把橋殼由無限個(gè)自由度的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為有限個(gè)自由度的系統(tǒng)。其運(yùn)動微分方程為： （5-1） 其中，表示結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，表示阻尼，表示剛度矩陣，表示振動的加速度，表示振動速度，表示位移列陣；表示外載荷列陣。 在對橋殼進(jìn)行模態(tài)分析的時(shí)候，需要的數(shù)據(jù)有固有頻率和振型參數(shù)。零件結(jié)構(gòu)的固有頻率與外載荷沒有關(guān)系，固有頻率受結(jié)構(gòu)阻尼的影響很小。因此研究過程中，可以不用考慮外載荷和阻尼對固有頻率和振型產(chǎn)生的影響。得到無阻尼自由振動的運(yùn)動方程為： (5-2) 如果結(jié)構(gòu)作如下簡諧運(yùn)動： （5-3） 其中，表示的是特征向量，表示的是圓頻率。把式（5-3）代入式（5-2），得： 或 （5-4） 式子（5-4）稱為廣義特征方程，為特征值，。在自由振動時(shí)，結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)的振幅不可能全部為零，所以式（5-4）肯定有其系數(shù)行列式為零。得到此結(jié)構(gòu)的頻率方程為： （5-5） 如果包含n個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么式（5-5）可以展開為： 5.3驅(qū)動橋殼有限元模型模態(tài)分析 把實(shí)體模型劃分網(wǎng)格，然后進(jìn)行自由模態(tài)分析，不對其施加邊界條件和外載荷。在靜力分析時(shí)只有在需要考慮結(jié)構(gòu)自身影響才輸入材料的密度。而在模態(tài)分析時(shí)，材料屬性欄中必須要輸入材料密度。材料屬性設(shè)置好后，對橋殼進(jìn)行模態(tài)分析。因?yàn)閷驓みM(jìn)行的是自由模態(tài)分析，沒有任何約束，所以前6階是剛體模態(tài)，頻率為零或者接近于零。從第7階開始才是結(jié)構(gòu)模態(tài)。 求解步驟: 點(diǎn)擊，出現(xiàn)對話框，選擇Modal。再選擇，出現(xiàn)對話框， 輸入12，然后點(diǎn)擊進(jìn)行求解。 求解完成后得到各階頻率如圖5.1。 圖5.1各階頻率 以下是橋殼第7到第12階模態(tài)振型圖： 圖5.2第7階振型 圖5.3 第8階振型 圖5.4 第9階振型 圖5.5 第10階振型 圖5.6 第11階振型 圖5.7 第12階振型 5.4模態(tài)分析總結(jié) 由得到的數(shù)據(jù)可知，前面6階模態(tài)是剛體模態(tài)。前2階的頻率為零，從第3階到第6階的頻率都接近零。從第7階開始才是結(jié)構(gòu)模態(tài)。 第7階振型圖可以看出，橋殼在XY平面內(nèi)沿-Z軸方向發(fā)生彎曲；第8階振型圖中，橋殼在XY平面內(nèi)沿-Y軸方向發(fā)生彎曲；第9階振型圖中，橋殼沿Y軸扭動；第10階振型圖中，橋殼沿Z軸方向扭動；第11階振型圖中，橋殼XY平面在Y軸方向向中間擠壓；第12階振型圖中，橋殼沿X軸方向扭動。 汽車在行駛過程中，肯定會遇到不平整的路面，而且發(fā)動機(jī)、傳動系和車輪等部件也都會激發(fā)汽車的振動。一般情況下，因?yàn)榈缆凡黄秸蛊嚠a(chǎn)生振動的頻率范圍大概為0.5～25Hz。結(jié)合本課題對橋殼的自由模態(tài)分析的數(shù)據(jù)來看，第7階模態(tài)的頻率為135.81Hz，不在0.5～25HZ這個(gè)范圍之內(nèi)。由于有限元模型經(jīng)過了簡化，所以會跟實(shí)際的頻率有一定的差別，但從理論上來講，是可行的。因此道路不平整不會引起橋殼的共振。 5.5 本章小結(jié) 本章首先介紹了模態(tài)分析的理論，然后對網(wǎng)格劃分好的驅(qū)動橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，得到橋殼12階模態(tài)振型圖。當(dāng)汽車在行駛過程中，汽車產(chǎn)生的振動和車與路面之間產(chǎn)生的相互作用力是導(dǎo)致橋殼振動的主要因素。汽車振動系統(tǒng)所能夠承受的路面作用的激勵一般為0-50HZ的垂直振動。根據(jù)分析得到的橋殼各階振型圖，可以看出本課題研究的驅(qū)動橋殼的前6階模態(tài)的固有頻率不在0-50HZ的范圍之內(nèi)，所以不會因?yàn)槁访婕疃跪?qū)動橋殼產(chǎn)生共振，本次課題研究的驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是比較合理的。 結(jié)論 6結(jié)論 論文選取某重型貨車的驅(qū)動橋殼為研究對象，采用有限元分析法，對此驅(qū)動橋殼進(jìn)行三種典型工況下的靜力分析，自由狀態(tài)下的模態(tài)分析。主要工作及結(jié)論如下： 首先用CATIA軟件建立研究對象的幾何模型，再將幾何模型進(jìn)行簡化后導(dǎo)入到ANSYS軟件中，在ANSYS軟件中設(shè)置幾何模型的材料屬性、對其進(jìn)行劃分網(wǎng)格，然后再進(jìn)行有限元分析。 選取三種典型工況對驅(qū)動橋殼進(jìn)行靜力分析。在最大垂向力工況下，橋殼在半軸套管與板簧座之間的應(yīng)力值較大，應(yīng)力的最大值小于材料的屈服強(qiáng)度，所以這種工況下橋殼的強(qiáng)度是符合要求的。橋殼位移變形量最大值出現(xiàn)在橋殼中間位置，變形量由橋殼中間位置往兩邊逐漸減小，橋殼最大每米變形量小于規(guī)定的1.5mm/m，因此橋殼的剛度也是符合要求的。在最大牽引力工況下，橋殼受最大牽引力和垂向力。對其進(jìn)行靜力分析后，發(fā)現(xiàn)這種工況下的強(qiáng)度和剛度也是符合要求的。在最大側(cè)向力工況下，選取左端側(cè)滑的情況進(jìn)行說明。橋殼最大位移量變形出現(xiàn)在橋殼左端靠近板簧座附近，每米輪距變形量也是滿足規(guī)定的。通過分析計(jì)算，三種工況下橋殼的應(yīng)力分布和變形結(jié)果都是符合要求的。 靜力分析完成后，對驅(qū)動橋殼進(jìn)行了自由模態(tài)分析。從得到的模態(tài)分析數(shù)據(jù)來看，實(shí)際各階的振動頻率都不在汽車激振頻率范圍之內(nèi)，因此通常情形下橋殼不會產(chǎn)生共振。 本課題對選取的驅(qū)動橋殼進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析后，得出此型號的驅(qū)動橋殼強(qiáng)度、剛度都符合要求。 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1]楊波,羅金橋 基于ANSYS汽車驅(qū)動橋殼的有限元分析 [J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2005,18(6). 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