合肥工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文某載貨車驅(qū)動橋殼的有限元分析

1、 畢業(yè)論文設(shè)計題目 某載貨車驅(qū)動橋殼的有限元分析 學(xué)生姓名 胡晨暉 學(xué) 號 專業(yè)班級 車輛工程10-2班 指導(dǎo)教師 劉俊 院系名稱 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 2014年6月3日 目錄摘要1Abstract 21緒論21.1 課題研究的背景和意義31.2 橋殼有限元分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.2.1橋殼結(jié)構(gòu)分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.2.2 橋殼輕量化國內(nèi)外研究現(xiàn)狀51.3研究內(nèi)容與技術(shù)路線62 驅(qū)動橋殼的相關(guān)介紹及力學(xué)計算72.1驅(qū)動橋殼簡介72.2 驅(qū)動橋殼的受力計算82.2.1最大垂向力工況92.2.2最大牽引力工況102.2.3最大制動力工況112.2.4最大側(cè)向力工況112.3本章小結(jié)123 驅(qū)動橋

2、殼幾何模型與有限元模型的建立133.1 驅(qū)動橋殼幾何模型的建立133.2 有限元分析方法153.2.1 有限元分析簡介153.2.2 有限元分析在汽車設(shè)計中的應(yīng)用173.2.3 ANSYS簡介183.3 ANSYS中建立橋殼的有限元模型194 驅(qū)動橋殼的靜力分析234.1幾種典型工況下的靜力分析234.1.1最大垂向力工況234.1.2最大牽引力工況244.1.3最大制動力工況254.1.4最大側(cè)向力工況264.2本章小結(jié)275驅(qū)動橋殼的模態(tài)分析285.1ANSYS模態(tài)分析285.2驅(qū)動橋殼的自由模態(tài)分析295.3驅(qū)動橋殼的約束模態(tài)分析315.4本章小結(jié)346驅(qū)動橋殼的輕量化設(shè)計346.1輕量

3、化方案的確定356.2改進(jìn)后模型的有限元分析356.2.1改進(jìn)后橋殼的靜力分析356.2.2改進(jìn)后橋殼的模態(tài)分析366.3本章小結(jié)377總結(jié)與展望387.1本文的主要內(nèi)容387.2后續(xù)研究展望38謝辭39參考文獻(xiàn)40 某載貨車驅(qū)動橋殼有限元分析摘要：汽車驅(qū)動橋殼是汽車上的關(guān)鍵部件之一,不僅是承載件與傳力件,同時也是主減速器、差速器及半軸等裝置的外殼。汽車驅(qū)動橋殼必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度、動態(tài)特性和疲勞壽命。本文以有限元靜態(tài)分析、動態(tài)分析及機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論為基礎(chǔ)，以某載貨車的驅(qū)動橋殼為研究對象，綜合運用了CAD、CATIA等工程繪圖軟件和ANSYS等有限元分析軟件，完成了從驅(qū)動橋殼三維建模，

4、有限元分析到輕量化設(shè)計的整個過程。首先建立了驅(qū)動橋殼的三維簡化模型和有限元模型。然后在最大垂向力工況、最大牽引力工況、最大制動力工況和最大側(cè)向力工況等四種典型工況下對橋殼進(jìn)行了靜力分析,得到橋殼在四種典型工況下的應(yīng)力分布和變形情況；對橋殼進(jìn)行模態(tài)分析,得到橋殼在自由狀態(tài)下的前12階固有頻率和振型及在約束狀態(tài)下的前6階固有頻率和振型；對驅(qū)動橋殼進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，在保證橋殼強(qiáng)度和剛度合格的條件下減少了材料的用量。 關(guān)鍵詞：驅(qū)動橋殼；有限元；靜力分析；動態(tài)分析；輕量化 Finite Element Analysis of Vehicle Drive Axle Shell Abstract :Autom

5、obile drive axle shell is one of the key components of the car.It not only serves as the load-bearing and force-transmitting part,but also the crust of the main reducer,differential,driving half shaft and some other devices.Automobile drive axle shell must have enough strength, stiffness, dynamic ch

6、aracteristics and fatigue life.Based on the theories of FEM static analysis,modal analysis and mechanical structure optimization,this thesis completed the the whole process from three-dimensional modeling, finite element analysis to the lightweight design of the drive axle shell by using CAD 、CATIA

7、and ANSYS。Firstly，the simplified three-dimensional model and finite element model of the drive axle shell were constructed.Then the stress distribution and deformation in four typical loading cases were obtained in the static analysis,in which the drive axle shell worked in the conditions of the max

8、imum vertical force,the maximum traction force,the maximum braking force and the maximum lateral force.The modal analysis was also performed , the 1th to 12th natural frequencies under the free condition and 1th to 6th natural frequencies under the constraint condition were measured.Finally,in order

9、 to reduce the consumption of material,the design of the drive axle shell was optimized on the condition that its strength and stiffness were qualified.Keywords：drive axle shell；FEM；static analysis；modal analysis；lightweight 1 緒論1.1 課題研究的背景和意義驅(qū)動橋殼在汽車上是關(guān)鍵的傳力件和承載件，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。驅(qū)

10、動橋殼在汽車傳動系統(tǒng)中處于末端，作為主減速器、差速器和驅(qū)動車輪等傳動裝置的外殼，它對汽車傳動系統(tǒng)起到了保護(hù)作用。汽車驅(qū)動橋殼使用頻率很高，使用工況復(fù)雜，故障率較高。驅(qū)動橋殼的設(shè)計和生產(chǎn)質(zhì)量直接關(guān)系到到整個車輛的使用性能1。因此，必須要求汽車驅(qū)動橋殼具有足夠的強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命。另外，合理地設(shè)計驅(qū)動橋殼，不僅可以提高材料利用率，降低成本，改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，還能有效提高汽車的平順性和舒適性。在設(shè)計汽車驅(qū)動橋殼的過程中，最重要的任務(wù)和要求就是在保證驅(qū)動橋殼具有足夠的強(qiáng)度、剛度、動態(tài)特性和疲勞壽命的情況下，采用合理的結(jié)構(gòu)，減輕驅(qū)動橋殼的重量，提高材料的利用效率，減少材料的消耗。汽車行駛條件復(fù)雜，

11、工作環(huán)境多變，設(shè)計和生產(chǎn)驅(qū)動橋殼涉及到包括材料、力學(xué)、工藝和試驗等多個學(xué)科在內(nèi)的廣泛領(lǐng)域2。目前，國內(nèi)相當(dāng)一部分驅(qū)動橋殼制造商普遍采用力學(xué)簡化計算與經(jīng)驗設(shè)計相結(jié)合的方法對橋殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，使用整車道路行駛試驗、臺架試驗等各種實驗方法來校核其應(yīng)力、變形量和疲勞壽命是否滿足要求。這樣設(shè)計出來的驅(qū)動橋殼，往往采用傳統(tǒng)材料，用料多，重量大，結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度往往很富裕，而可靠性卻沒有把握。這導(dǎo)致車輛的材料成本增加，油耗高，排放污染嚴(yán)重，綜合使用性能差，與安全、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展方向背道而馳。隨著汽車工業(yè)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，分析仿真技術(shù)高效率低成本的優(yōu)勢日益凸顯，在汽車設(shè)計中發(fā)揮了重要的作用。AN

12、SYS、Hypermesh等各種有限元分析軟件成為了CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用的工具。通過建立汽車驅(qū)動橋殼的有限元仿真模型，對其進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、疲勞壽命分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以進(jìn)一步修正模型，使驅(qū)動橋殼在滿足強(qiáng)度、剛度、動態(tài)特性和疲勞壽命等要求的同時，最大限度的減輕重量，減少材料消耗3。運用有限元分析軟件（如ANSYS軟件）對驅(qū)動橋殼進(jìn)行分析，可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時實現(xiàn)輕量化。有限元分析方法帶來的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。以某載貨車的驅(qū)動橋殼作為研究對象，使用有限元仿真軟件ANSYS對橋殼進(jìn)行全面的分析和校核，以確保橋殼在各種復(fù)雜工況下都能安全使用4。這不僅能夠解決企業(yè)在

13、設(shè)計和生產(chǎn)過程中的實際問題，為企業(yè)對其產(chǎn)品的設(shè)計、制造、檢驗和優(yōu)化改造提供實際的參考和指導(dǎo)，還能夠幫助企業(yè)提高產(chǎn)品的設(shè)計水平，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，為企業(yè)在提高核心競爭力方面提供思路和方法，具有較大的實際意義和經(jīng)濟(jì)價值。同時，隨著油氣資源趨于枯竭，環(huán)境污染問題日益突出，節(jié)能減排越來越受到全社會的重視。降低燃油消耗，減少廢氣排放成為汽車工業(yè)研究的熱點5。汽車輕量化是節(jié)能環(huán)保的有效措施，而作為載貨車重要構(gòu)件的驅(qū)動橋殼的輕量化設(shè)計更是研究的重點。運用有限元分析軟件（如ANSYS軟件）對驅(qū)動橋殼進(jìn)行分析，可使驅(qū)動橋殼在滿足強(qiáng)度、剛度、動態(tài)特性和疲勞壽命等要求的同時，最大限度的減輕重量

14、。1.2 橋殼有限元分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1橋殼結(jié)構(gòu)分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 過去國內(nèi)為考核橋殼的強(qiáng)度和剛度，主要方法是對橋殼進(jìn)行臺架試驗和整車行駛試驗，或者使用電測法，在汽車滿載行駛于典型路面上時測定橋殼的應(yīng)力6。但是這種試驗的方法只有在生產(chǎn)出橋殼樣品時才可使用，具有相當(dāng)?shù)拿つ啃院途窒扌?。有限元法是一種新興的結(jié)構(gòu)計算方法。在國外，上世紀(jì)七十年代前后,有限元法就逐漸地應(yīng)用于汽車零部件的開發(fā)和設(shè)計工作中7。在日本，汽車驅(qū)動橋殼的強(qiáng)度分析也較早地使用了有限元分析方法。 國內(nèi)也出現(xiàn)很多利用有限元分析軟件對驅(qū)動橋殼模型并進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計算的例子。借助以計算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代設(shè)計方法使驅(qū)動橋殼設(shè)計更豐富

15、合理。南京理工大學(xué)的孫忠云8在其碩士畢業(yè)論文中進(jìn)行了基于可靠性優(yōu)化的汽車驅(qū)動橋殼設(shè)計研究。利用UGNX4.O建立了橋殼的三維模型,把三維模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行了預(yù)處理；在ANSYS中建立了橋殼的載荷和邊界條件，在四種典型工況下對橋殼進(jìn)行了應(yīng)力分析；在HyperMesh中對橋殼進(jìn)行了模態(tài)分析，獲取了其基本的動態(tài)特性；在Msc.Fatigue中對橋殼進(jìn)行了疲勞分析,得到了其疲勞特征。根據(jù)可靠性優(yōu)化的基本理論,對橋殼的關(guān)鍵部位進(jìn)行了可靠性優(yōu)化，將橋殼本體的鋼板厚度減至10mm。并對橋殼進(jìn)行了厚度不變的拓?fù)鋬?yōu)化,然后對橋殼進(jìn)行了自由尺寸優(yōu)化,通過局部補(bǔ)強(qiáng)的方法使得橋殼的性能達(dá)到了設(shè)計要求,最

16、后確定了設(shè)計方案。 1.2.2 橋殼輕量化國內(nèi)外研究現(xiàn)狀汽車的輕量化，就是在保證汽車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性能的基礎(chǔ)上，最大限度地降低整車質(zhì)量，以提高汽車的動力性，改善燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排氣污染。汽車輕量化的基本指導(dǎo)思想是在穩(wěn)步提高汽車性能的條件下，節(jié)能化設(shè)計各總成零部件，持續(xù)優(yōu)化各車型9。有實驗結(jié)果表明，在汽車的整車重量降低10%的情況下，汽車的燃油消耗效率就可提高6%8%，汽車輕量化所產(chǎn)生的巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，使其成為現(xiàn)代汽車技術(shù)中的熱點。汽車輕量化的主要途徑是10：在保證規(guī)格主參數(shù)尺寸基本不變的前提下，持續(xù)優(yōu)化主流規(guī)格車型，不斷提升整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低材料消耗；采用輕質(zhì)材料。如鋁、塑料、陶瓷、玻

17、璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等；采用計算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計。如采用有限元分析方法等；采用承載式車身，減薄車身板料厚度等。其中，當(dāng)前主要的汽車輕量化措施是采用輕質(zhì)材料。驅(qū)動橋殼質(zhì)量占整車質(zhì)量的比重較大，驅(qū)動橋殼的輕量化設(shè)計對整車的輕量化具有重要的意義。對橋殼進(jìn)行輕量化設(shè)計，一個很重要的方法就是采用CAE技術(shù)，在對橋殼進(jìn)行靜力分析，動態(tài)分析以及疲勞分析。在仿真的基礎(chǔ)上，采用多種優(yōu)化設(shè)計方法，除去多余的材料，提高材料利用率，同時保證橋殼的剛度、強(qiáng)度和疲勞壽命符合要求。近年來,國內(nèi)研究人員在橋殼輕量化研究方面也做了大量工作。山東大學(xué)的吳春虎、李方義11等人在對驅(qū)動橋殼進(jìn)行了靜力分析和動態(tài)分析之后，在總結(jié)驅(qū)動橋殼

18、可能存在的問題的基礎(chǔ)上，對橋殼進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，使用ANSYS優(yōu)化工具進(jìn)行迭代運算，將研究對象的質(zhì)量從開始時的94.94kg降低到91.44kg，減少了3.5kg，質(zhì)量降低為原質(zhì)量的96.31%，并且強(qiáng)度和剛度均符合要求。這有效地節(jié)省了原料，為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。目前，與國外的汽車輕量化研究相比，國內(nèi)的輕量化研究主要存在一下幾個方面的不足： （1）運用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化技術(shù)指導(dǎo)實際設(shè)計和生產(chǎn)的意識薄弱，產(chǎn)生的有效經(jīng)濟(jì)效益的能力較弱。 （2）輕量化技術(shù)研究存在過多的重復(fù)性工作，創(chuàng)新性的設(shè)計方法較少。 （3）過度依賴經(jīng)驗設(shè)計,或者按照主觀經(jīng)驗修改部件尺寸參數(shù),僅僅校核靜態(tài)條件下的強(qiáng)度和剛度

19、就確定方案，對疲勞壽命和可靠性的研究較少，盲目性大。1.3 研究內(nèi)容與技術(shù)路線本課題研究目標(biāo)是學(xué)習(xí)ANSYS軟件，掌握有限元分析方法，對某載貨車的驅(qū)動橋殼進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)分析，并對該驅(qū)動橋殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。主要研究內(nèi)容包括以下六部分: （1）通過三維繪圖軟件CATIA建立某型號載貨汽車驅(qū)動橋殼的幾何模型，通過適當(dāng)?shù)暮喕?，將簡化后的幾何模型?dǎo)入ANSYS中。 （2）對橋殼在四種典型工況下進(jìn)行受力分析,確定橋殼在各工況下的約束和受載情況。 （3）對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格修改、材料屬性定義、施加約束載荷,建立驅(qū)動橋殼的有限元模型。 （4）在有限元軟件中驅(qū)動橋殼進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和模態(tài)分析，驗證橋殼的強(qiáng)度與剛

20、度是否符合各項要求,通過仿真結(jié)果得到橋殼的危險工況和危險區(qū)域。 （5）參考橋殼的分析結(jié)果,對總體應(yīng)力相對較大的最大垂直載荷工況下的橋殼模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析,通過減小橋殼局部的厚度來實現(xiàn)橋殼的輕量化設(shè)計。 （6）將優(yōu)化后的驅(qū)動橋殼與輕量化之前的橋殼各個指標(biāo)進(jìn)行對比,確認(rèn)輕量化設(shè)計方案的可行性。 圖1.1 有限元分析流程圖 2 驅(qū)動橋殼的相關(guān)介紹及力學(xué)計算2.1 驅(qū)動橋殼簡介驅(qū)動橋殼是汽車上關(guān)鍵部件之一，既是傳力件又是承載件。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。驅(qū)動橋殼是驅(qū)動橋中主減速器、差速器和半軸的保護(hù)裝置，是汽車的直接承載部件12。汽車驅(qū)動橋使用頻率高，使

21、用工況復(fù)雜，故障率高。足夠的強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命對驅(qū)動橋殼至關(guān)重要。另外，驅(qū)動橋殼設(shè)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(jì)性。另外，對于不同類型的汽車，應(yīng)選擇相應(yīng)的橋殼型式。 圖2.1 汽車驅(qū)動橋殼驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)型式主要有可分式橋殼，整體式橋殼和組合式橋殼三種。其中整體式橋殼強(qiáng)度和剛度較大,主減速器拆裝調(diào)整方便，適用的貨車類型較廣。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(kuò)張成形式三種。本文所研究的對象即為鋼板沖壓焊接整體式橋殼13。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。橋殼本體由鋼板沖壓而成，橋殼本體與凸

22、緣之間，凸緣與半軸套管之間均采用焊接的方式相連接。橋殼的實物圖如下所示： 圖2.2 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(yīng)用越來越廣泛。以下是可鍛鑄鐵鑄造的整體式和鋼板沖壓焊接整體式兩種中型載貨汽車驅(qū)動橋殼的經(jīng)濟(jì)性對比。 表2.1 中型載貨汽車驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)性分析 橋殼結(jié)構(gòu)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813.4215.6100100鋼板沖壓焊接整體式橋殼637495267半軸是驅(qū)動橋內(nèi)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。半軸在輪

23、端安裝形式不同，相應(yīng)的驅(qū)動橋殼的受力情況也不一樣。本文中半軸釆用的支承型式是全浮式。 半浮式半軸 全浮式半軸 圖2.3 半軸的支承型式2.2 驅(qū)動橋殼的受力計算在不同的工況下，驅(qū)動橋殼的受力情況不同。我國通常推薦四種典型工況用于驅(qū)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(cè)向力工況，并認(rèn)為在這四種工況下能夠滿足各項指標(biāo)的橋殼是合格的。 2.2.1 最大垂向力工況橋殼如同一個空心橫梁，兩端經(jīng)輪轂軸承支承于車輪上。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，橋殼則承受此力與車輪重力之差值，即，計算簡圖如下： 圖2.4 橋殼靜彎曲應(yīng)力

24、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 (2-1) 式中: 汽車滿載靜止于水平地面時驅(qū)動橋給地面的荷載,N； 車輪(包括輪毅、制動器在內(nèi))的重力,N; B 驅(qū)動車輪輪距,m; S 驅(qū)動橋殼上兩鋼板彈簧座中心間的距離,m； 通常由于遠(yuǎn)小于且設(shè)計時不易準(zhǔn)確計算,一般情況下可以忽略不計。則靜彎曲應(yīng)為: (2-2) 式中： M 見式（2-1）； 危險斷面處（鋼板彈簧座附近）橋殼的彎曲截面系數(shù)；當(dāng)汽車在不平路面上高速行駛時,橋殼除承受靜止?fàn)顟B(tài)下那部分載荷外,還承受附加的沖擊載荷。不考慮切向力和側(cè)向力,在這兩種載荷總的作用下,橋殼承受的力為（），橋殼所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為 （2-3）式中： 動

25、載荷系數(shù),對轎車、客車取1.75;對載貨汽車取2.5;對越野車取3.0; 橋殼在靜載荷下的彎曲應(yīng)力,MPa； 2.2.2 最大牽引力工況不考慮側(cè)向力，以汽車做直線行駛的情況進(jìn)行計算。下圖為汽車以最大牽引力行駛時的受力簡圖。（設(shè)地面對后驅(qū)動橋左右輪的垂向反力相等） 圖2.5 最大牽引力行駛時的受力簡圖 （2-4） 式中：汽車滿載靜止于水平地面時給地面的總載荷； 汽車質(zhì)心高度；而作用在左右驅(qū)動車輪上的轉(zhuǎn)矩所引起的地面對驅(qū)動車輪的最大切向反作用力（即汽車驅(qū)動力）為： （2-5）式中：發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，； 變速器一檔傳動比； 驅(qū)動橋的主減速比； 傳動系的傳動效率； 驅(qū)動車輪的滾動半徑； 2.2.3 最大

26、制動力工況 汽車緊急制動時的受力情況如下圖所示： 圖2.6 汽車緊急制動時的受力簡圖則 （2-6）式中：g重力加速度，m/s2 a制動加速度，m/s2因，故制動加速度a為 a=g （2-7）其中表示制動強(qiáng)度，當(dāng)汽車以最大的強(qiáng)度制動時，該值取地面的附著系數(shù)，一般取0.75.由上面兩式，可求得橋殼的垂向力和縱向力。 2.2.4 最大側(cè)向力工況汽車在滿載、高速轉(zhuǎn)彎等工況中，會產(chǎn)生一個作用于汽車質(zhì)心處的相當(dāng)大的離心力。汽車也會由于其他原因承受側(cè)向力。當(dāng)汽車所承受的側(cè)向力達(dá)到地面給車輪的側(cè)向反作用力的最大值時，汽車處于臨界狀態(tài)，側(cè)向力一旦超過側(cè)向附著力，則汽車將產(chǎn)生側(cè)滑。下圖為汽車向右側(cè)滑時的受力簡圖，

27、根據(jù)該圖可求出驅(qū)動橋側(cè)滑時左右地面對驅(qū)動車輪的支承反力和側(cè)向力。 圖2-7 汽車向右側(cè)滑時的受力簡圖 當(dāng)汽車側(cè)滑發(fā)生在側(cè)翻之前時汽車所受到的側(cè)向力為 (2-8) 其中，取地面的最大側(cè)向力系數(shù)。 則左右車輪的支承反力為 (2-9) (2-10) 當(dāng)汽車側(cè)翻發(fā)生在側(cè)滑之前時,地面對左側(cè)車輪的支撐力為零，則： (2-11)其中，為地面對車輪的側(cè)向力。通過力學(xué)的平衡方程，可以求得鋼板彈簧座的垂向力。2.3 本章小結(jié)本章主要對橋殼的構(gòu)造、類型、材料等進(jìn)行了簡要介紹，并且分析了驅(qū)動橋殼在最大垂向力、最大牽引力、最大制動力、最大側(cè)向力等四種典型工況下的受力情況，為下章對橋殼的有限元模型施加載荷和約束提供了參

28、考。 3 驅(qū)動橋殼幾何模型與有限元模型的建立3.1 驅(qū)動橋殼幾何模型的建立 建立驅(qū)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(jìn)行簡化，以便于有限元分析的進(jìn)行。 本文中研究的驅(qū)動橋殼及汽車的部分參數(shù)如下： 表3.1 汽車及驅(qū)動橋殼的部分參數(shù)項目參數(shù)項目參數(shù) 汽車整備質(zhì)量 6430kg 汽車總質(zhì)量 17510kg軸距4300mm后輪距 1850.8mm前軸載荷系數(shù)（空載）48%后軸載荷系數(shù)（空載52%前軸載荷系數(shù)（滿載）30%后軸載荷系數(shù)（滿載）70%輪胎11.00-25（直徑1125mm）主減速比5.37后板簧中心距1030mm發(fā)動機(jī)最大功率

29、154.5kw（2100r/min）發(fā)動機(jī)最大扭矩584.5Nm（1300r/min）汽車最高行駛速度80km/h變速器傳動比i1=7.640 i2=4.835 i3=2.857 i4=1.895 i5=1.337 i6=1橋殼自重155.6kg橋殼型式整體沖焊式 驅(qū)動橋殼的CAD結(jié)構(gòu)如圖： 圖3.1 驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)CAD結(jié)構(gòu)圖，在CATIA中建立驅(qū)動橋殼的三維模型。首先，作出橋殼本體部分的草圖： 圖 3.2 驅(qū)動橋殼本體部分二維草圖由于驅(qū)動橋殼是對稱結(jié)構(gòu)，故可以先做出一半模型，最后使用鏡像命令，驅(qū)動橋殼的一半模型為： 圖3.3 驅(qū)動橋殼一半模型 上圖中，橋殼本體的厚度為15mm。半軸套

30、管變截面的臺階結(jié)構(gòu)用于安裝兩對圓錐滾子軸承，本文中貨車的輪距為1850.8mm，則左右半軸套管上距中間平面925.4mm處為兩對軸承的中間位置。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(qū)動橋殼模型采用裝配設(shè)計，將鋼板彈簧座和驅(qū)動橋殼本體裝配在一起。鋼板彈簧座與驅(qū)動橋殼本體間采用焊接的方式連接，傳力方式相當(dāng)于剛性連接。最終得到的驅(qū)動橋殼的三維模型如下圖： 圖3.4 驅(qū)動橋殼三維模型 由上圖可以看到，所建立的驅(qū)動橋殼三維模型是經(jīng)過簡化處理的。對橋殼模型進(jìn)行簡化，一方面，可以減小建模的難度，另一方面也有利于對橋殼進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)省計算資源。同時，對橋殼上的細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，對

31、于最終的有限元分析結(jié)果的影響較小，仍然可以認(rèn)為簡化模型的有限元分析結(jié)果比較接近于實際情況16。驅(qū)動橋殼的的簡化主要體現(xiàn)在以下幾個方面： （1）省去了放油口、加油口、固定油管、橋殼中部的開口槽、板簧座的中心孔等幾何結(jié)構(gòu)。 （2）省去了橋殼后端蓋。 （3）忽略主減速器對于橋殼的支承作用。 （4）忽略半軸套管處軸徑的細(xì)微變化，忽略臺階，簡化成一段直徑相同的軸套。對三維模型進(jìn)行檢查，確認(rèn)無誤后將其保存為CATIA的裝配圖格式。3.2 有限元分析方法 3.2.1 有限元分析簡介有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷）進(jìn)行模擬。還利用簡單而又相互作用的的元素（即單元），用有限數(shù)量的未知

32、量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。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。求解：求解過程在求解器中進(jìn)行，求解器能夠解答線性和非線性的、靜態(tài)的、動態(tài)的、屈曲、熱傳導(dǎo)和勢位能等分析問題。后處理：后處理包括輸出位移和應(yīng)力云圖，根據(jù)各種失效準(zhǔn)則，諸如允許的最大偏移、材質(zhì)的疲勞強(qiáng)度等指標(biāo)來比較有限元分析結(jié)果。有限元分析方法的進(jìn)步誕生了新興的跨專業(yè)和跨行業(yè)的學(xué)科。作為一種新近發(fā)展起來的數(shù)值模擬分析技術(shù)，CAE越來越受到工程技術(shù)人員的重視和青睞。CAE技術(shù)的引進(jìn)，使企業(yè)的產(chǎn)品

33、開發(fā)過程產(chǎn)生了重大變化，下面兩幅框圖就說明了CAE技術(shù)的引進(jìn)對企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)流程產(chǎn)生的影響17。 圖3.5 傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計流程圖 從圖中可以看出，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計流程中充斥著大量重新設(shè)計的可能性。在樣品的測試實驗階段，甚至是產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)之后，如果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品不合格，就要重新對產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。之所以會出現(xiàn)這樣的情況，根源在于缺乏對詳細(xì)設(shè)計得到的產(chǎn)品方案進(jìn)行模擬仿真和評估的工具。這導(dǎo)致整個設(shè)計過程趨于盲目性和經(jīng)驗性。如果有這樣一種分析工具，可以在試制樣品之前就對詳細(xì)設(shè)計得到的產(chǎn)品方案進(jìn)行仿真模擬，及時發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)問題，就能有效地消除設(shè)計中的盲目性，基本上能夠在詳細(xì)設(shè)計過程中就擬定最終的比較可靠的產(chǎn)品方案

34、。CAE技術(shù)的引入就使得這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實。 圖3.6 引入CAE后產(chǎn)品設(shè)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。數(shù)值模擬在某種意義上比理論和試驗對問題的認(rèn)識更為深刻。 （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。 （3）CAE促進(jìn)了試驗的發(fā)展，對試驗方案的科學(xué)制定、實驗過程中測點的最佳位置、儀表量程等的確定提供了更可靠的理論指導(dǎo)。 （4）一次投資，長期受益。據(jù)統(tǒng)計，應(yīng)用CAE技術(shù)后，開發(fā)期的費用占開發(fā)成本的比例，從80%90%下降到8%12%。 3.2.2 有限元分析在汽車設(shè)計中的應(yīng)用CAE作為一項跨學(xué)科跨行業(yè)的數(shù)值模擬分析技術(shù)

35、，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(yīng)用也越來越廣泛。運用CAE技術(shù)，新產(chǎn)品開發(fā)涉及到的疲勞、壽命、振動、噪聲等強(qiáng)度、剛度和振動問題，可較好地在設(shè)計階段解決，這樣就可以大幅度提高設(shè)計質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省大量開發(fā)費用。CAE分析范圍覆蓋了結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)、多體動力學(xué)、被動安全、工藝、整機(jī)和整車性能等方方面面。概括起來，目前汽車開發(fā)過程中的CAE分析主要包括以下幾個方面18：（1）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。汽車結(jié)構(gòu)的有限元分析體現(xiàn)在：一，在汽車設(shè)計中對所有的結(jié)構(gòu)件、主要機(jī)械零部件的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析；二，在汽車結(jié)構(gòu)分析中普遍采用有限元法來進(jìn)行各構(gòu)件的模態(tài)

36、分析，計算出各構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)，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(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使結(jié)構(gòu)在保證使用要求的同時減少材料使用，降低產(chǎn)品成本。有限元分析在汽車結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用實踐證明其可以從根本上提高車身設(shè)計水平，并降低研制成本。（2）NVH的有限元分析。CAE分析有助于分析汽車各個系統(tǒng)和部件的振動特性，在汽車設(shè)計過程中，消除可能出現(xiàn)的振動耦合現(xiàn)象，從而提高整車的振動和噪聲控制水平。（3）碰撞與安全性分析。對建立的整車有限元模型進(jìn)行整車碰撞的模擬仿真，得到碰撞后車身的變形結(jié)果和碰撞過程中模型的能量與速度變化曲線。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)

37、的變化情況。 3.2.3 ANSYS簡介ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，它是世界范圍內(nèi)增長最快的CAE軟件，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱，聲、流體以及電磁場等學(xué)科的研究。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航天航空、機(jī)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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS功能強(qiáng)大，主要可以進(jìn)行下列分析19：（1）結(jié)構(gòu)分析。包括靜力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析、特征屈曲分析及專項分析。（2）ANSYS熱分析。熱分析的類型包括相變、內(nèi)熱源、熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射。（3）ANSYS電磁分析。磁

38、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。（4）ANSYS流體分析。流場分析的類型包括CFD、聲學(xué)分析、容器內(nèi)流場分析、流體動力學(xué)耦合分析。（5）ANSYS耦合場分析，主要考慮兩個和多個物理場之間的相互作用，例如，在壓電力分析中，需要同時求解電壓分布（電場分析）和應(yīng)變（結(jié)構(gòu)分析）。 圖3.7 ANSYS14.5經(jīng)典界面ANSYS分析過程主要包括三個步驟：前處理、加載并求解、后處理。3.3 ANSYS中建立橋殼的有限元模型有限元模型的建立是對驅(qū)動橋殼進(jìn)行有限元分析的第一步，主要工作包含將CATIA建立的三維模型導(dǎo)入到ANSYS中、劃分網(wǎng)格、添加材料屬性和

39、施加約束和載荷等。建立驅(qū)動橋殼的有限元模型需進(jìn)行如下步驟：（1） 導(dǎo)入三維模型。啟動ANSYS，使用import命令將建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS中。導(dǎo)入的模型如下： 圖3.8 導(dǎo)入后的幾何模型（2） 進(jìn)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)格將對計算精度和計算規(guī)模產(chǎn)生直接影響。為了建立正確合理的有限元模型，劃分網(wǎng)格時應(yīng)明確下列問題20： （1)網(wǎng)格數(shù)量：網(wǎng)格數(shù)量的多少將直接影響到計算的精度和規(guī)模。當(dāng)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。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增到達(dá)一定規(guī)模后，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對于提高精度的影響很小，但會極大地增加有限元分析的計算時間。

40、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(yīng)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(yīng)增加網(wǎng)格數(shù)量。(2)單元階次：高階單元指的是具有二次或三次形式的單元。高階單元具有節(jié)點數(shù)多，精度更高的特點。如果結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布或變形較為復(fù)雜，可以優(yōu)先選用高階單元。但高階單元的節(jié)點數(shù)較多，會增大分析的計算規(guī)模。(3)網(wǎng)格疏密：為了適應(yīng)數(shù)據(jù)的分布特點，可以在結(jié)構(gòu)的不同位置采用大小不同的網(wǎng)格。在結(jié)構(gòu)的危險部位以及應(yīng)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(jié)構(gòu)的非關(guān)鍵部位及應(yīng)力變化較小的部位，可以將網(wǎng)格劃分得稀疏一些。(4)網(wǎng)格

41、質(zhì)量：網(wǎng)格質(zhì)量指的是網(wǎng)格幾何形狀的合理性。網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對計算精度的影響很大，質(zhì)量太差的網(wǎng)格可能會導(dǎo)致計算中斷。因此，在網(wǎng)格劃分以后應(yīng)該檢查網(wǎng)格，一般要求不合格的網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)控制在總網(wǎng)格數(shù)量的1%以內(nèi)較為合理。對于本文中討論的驅(qū)動橋殼，選取solid185和solid187兩種實體單元。對于較為規(guī)則的實體模型，優(yōu)先選用六面體單元進(jìn)行劃分，既能提高計算精度，同時也能減小計算規(guī)模。對于結(jié)構(gòu)較復(fù)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。半軸套管部位的結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，采用solid185六面體單元劃分，可以提高計算精度，節(jié)省計算資源。橋殼本體部位的結(jié)構(gòu)和鋼板

42、彈簧座等部分的形狀較為復(fù)雜，采用solid187四面體單元進(jìn)行劃分。同時，希望半軸套管和板簧座處的網(wǎng)格稠密一些，橋殼本體部分的網(wǎng)格稀疏一些，在劃分網(wǎng)格時，對這些地方的網(wǎng)格大小進(jìn)行尺寸控制，可以達(dá)到要求。經(jīng)過網(wǎng)格劃分，該模型共有單元38348個，節(jié)點16346個。其中，不合格的網(wǎng)格數(shù)量控制在了總網(wǎng)格數(shù)的1%以內(nèi)，在可接受的范圍之內(nèi)，對計算精度的影響不大。所劃分的網(wǎng)格如下如下： 圖3.9 橋殼網(wǎng)格劃分（3）定義材料屬性。關(guān)于橋殼材料，鑄造整體式、可分式及組合式橋殼的鑄件多采用可鍛鑄鐵（KT350-10，KT370-12）、球墨鑄鐵（QT400-18）、鑄鋼（ZG45，多用于重型汽車的橋殼鑄件）；對

43、于鋼板沖壓焊接整體式橋殼，多采用16MN、09SIV、35或40中碳鋼板。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。本文中的驅(qū)動橋殼采用的材料如下表： 表3.2 橋殼的材料屬性名稱材料彈性模量（Pa） 泊松比密度（Kg/m3）屈服應(yīng)力(MPa)橋殼本體16Mn2.08e110.317840345半軸套管40Cr2.1e110.37900650在ANSYS中定義單元的材料屬性。（4） 施加載荷與約束。施加載荷和約束對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。應(yīng)該在仔細(xì)分析橋殼受力特點和約束形式的基礎(chǔ)上施加載荷和約束。 施加載荷，應(yīng)準(zhǔn)確分析不同工況下橋殼受力形式的特點。本文中涉

44、及的載荷形式主要是集中力、扭矩和均布載荷。 前面已經(jīng)就汽車的四種典型工況對橋殼進(jìn)行了靜力計算，得到了橋殼的受力狀況。相應(yīng)的，可以針對不同的典型工況對橋殼施加載荷。約束的添加也十分重要，一方面，要添加足夠的約束，防止模型發(fā)生剛性位移，同時，要力求簡單直觀，便于分析和計算。本文按下表對驅(qū)動橋殼模型施加載荷和約束： 表3.3 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

45、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(cè)向力工況垂向力作用在板簧座上，側(cè)向力作用于側(cè)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， 4 驅(qū)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(jié)構(gòu)效應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響，是有限元分析中最基礎(chǔ)的分析，本章將分析驅(qū)動橋殼在四種典型工況下的應(yīng)力和變形規(guī)律，找出橋殼潛在危險位置，為橋

46、殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考和依據(jù)。本章將根據(jù)第二章分析得到的的驅(qū)動橋殼的受力情況和表3.3中的加載和約束方式對驅(qū)動橋殼進(jìn)行靜力分析。 4.1 幾種典型工況下的靜力分析 在靜力分析得到的結(jié)果中， Mises 應(yīng)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(yīng)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。這樣就可以根據(jù)顏色區(qū)域的分布情況簡單明了的查看橋殼的應(yīng)力分布情況和變形情況。云圖上還標(biāo)出了最大應(yīng)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(qiáng)度和剛度提供了參考。另外，ANSYS還允許查看橋殼上特定位置處的應(yīng)力大小，這為分析焊縫處的強(qiáng)度情況提供了方便。4.1.1 最大垂向力工況當(dāng)汽

47、車在不平的道路上行駛時，取2.5倍的滿載載荷對驅(qū)動橋殼進(jìn)行加載，經(jīng)ANSYS計算可得 Mises 應(yīng)力分布云圖和等效位移分布云圖： 圖4.1 Mises 應(yīng)力分布云圖 圖4.2 等效位移分布云圖在模型兩側(cè)板簧座上加載垂直向下載荷，在靜載荷下，最大應(yīng)力發(fā)生在左側(cè)半軸套管的輪距處，大小為335MPa，半軸套管變截面處存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值在145MPa至335MPa之間，遠(yuǎn)小于半軸套管屈服強(qiáng)度。橋殼本體部分，板簧座附近的應(yīng)力值較大，位于74MPa至149MPa之間，遠(yuǎn)小于橋殼本體的屈服強(qiáng)度。橋殼的最大等效位移為1.035mm，滿足輪距變化小于1.5mm/m的條件。4.1.2 最大牽引力工況

48、汽車以最大加速度加速行駛時，在板簧支座處加載垂直向下的載荷和水平向后的載荷,ANSYS計算可得 Mises 應(yīng)力分布云圖和等效位移分布云圖： 圖4.3 Mises 應(yīng)力分布云圖 圖4.4 等效位移分布云圖加速工況下，最大應(yīng)力發(fā)生在左右輪距處，為214MPa，遠(yuǎn)小于半軸套管的屈服應(yīng)力。橋殼中部和板簧座附近應(yīng)力較為集中，但都在143MPa以下，遠(yuǎn)小于橋殼本體的屈服強(qiáng)度。橋殼較大等效位移發(fā)生在橋殼中部，最大等效位移為1.44mm，滿足輪距變化小于1.5mm/m的條件。4.1.3 最大制動力工況汽車以最大制動強(qiáng)度制動時，在板簧支座處加載垂直向下的載荷和水平向前的載荷，在凸緣上施加制動力矩，ANSYS計算可得 Mises 應(yīng)力分布云圖和等效位移分布云圖： 圖4.5 Mises 應(yīng)力分布云圖 圖4.6 等效位移分布云圖 汽車緊急制動時，最大應(yīng)力發(fā)生在左右輪距處，大小為184MPa，遠(yuǎn)小于半軸套管的屈服強(qiáng)度。橋殼本體部分的應(yīng)力均較小，在123MPa以下，遠(yuǎn)小于橋殼本體的屈服強(qiáng)度。橋殼的較大等效位移集中于橋殼中央，最大等效位移是1.6mm，滿足輪距變化小于1.5mm/m的條件。4.1.4 最大側(cè)向力工況本文中汽車的質(zhì)心較高,所以在發(fā)生側(cè)滑之前就已經(jīng)側(cè)翻,即汽車所能承受的最大側(cè)向力時就是汽車的將要側(cè)翻的狀態(tài),此時一側(cè)車輪的垂直載荷為零,所有的垂直載荷由另一側(cè)車輪承受,車橋受載較為嚴(yán)重。在板簧支座