SUV后驅(qū)動(dòng)橋殼建模及模態(tài)分析

1、河北工業(yè)大學(xué)2014屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書河 北 工 業(yè) 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 作 者： 張然 學(xué) 號(hào)： 100255 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 系(專業(yè))： 車輛工程 題 目： SUV后驅(qū)動(dòng)橋殼建模及模態(tài)分析 指導(dǎo)者： 劉璇 講師 (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))評(píng)閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2014 年 6 月6日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要 SUV后驅(qū)動(dòng)橋殼建模及模態(tài)分析摘要：驅(qū)動(dòng)橋殼的主要功用是支承汽車的質(zhì)量，并承受由車輪傳來的路面反力及反力矩，經(jīng)懸架傳給車架或車身。用傳統(tǒng)方法對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行分析時(shí)顯得費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的模態(tài)分析也十分繁瑣，對(duì)變形計(jì)算時(shí)更是困難，所以近年來，各汽車企

2、業(yè)以及相應(yīng)的研究人員，都通過軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行建模，然后進(jìn)行模態(tài)分析，利用有限元方法對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行分析、計(jì)算，從而得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。 本文主要是利用UG軟件建立驅(qū)動(dòng)橋殼的三維模型，再利用ANSYS軟件生成有限元模型，隨后進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到橋殼的強(qiáng)度和剛度分析結(jié)果，提出改善方案，對(duì)橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；再進(jìn)行模態(tài)分析，分別為常規(guī)模態(tài)分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，生成橋殼在前6階模態(tài)下的模態(tài)分析云圖，得到橋殼的固有特性，從而避免橋殼發(fā)生共振，并對(duì)橋殼在其他工況下的振動(dòng)形式進(jìn)行預(yù)測(cè)。關(guān)鍵詞： SUV后驅(qū)動(dòng)橋殼 UG建模 ANSYS 模態(tài)分析 河北工業(yè)大學(xué)2014屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要T

3、itle Modeling and modal analysis of the SUV rear drive axle housing AbstractThe major function of the drive axle housing is bearing the quality of the car, and by the wheel of road surface reaction force and torque, the suspension to the frame or body. When using traditional methods to analyze drive

4、 axle housing is time-consuming, laborious to corresponding modal analysis is complicated, the deformation calculation is more difficult, so in recent years, the automobile enterprises and the corresponding researchers, both for drive axle housing is modeled by the software, then the modal analysis,

5、 using the finite element method analysis of drive axle housing, calculation, so as to get more accurate results.This thesis mainly by using UG software to establish three-dimensional model of the drive axle housing, using ANSYS software to generate finite element model, and then statics analysis of

6、 the bridge housing strength and stiffness analysis result, put forward the improvement plan, optimize the structure of bridge housing; Modal analysis, respectively, often prestressed modal analysis, size analysis and generate bridge housing in the first six order modal modal analysis under the clou

7、d, the intrinsic characteristics of the bridge housing, so as to avoid the bridge housing resonance, and the bridge housing under other conditions predict the vibration of the form.Keywords： SUV rear axle housing UG model ANSYS modal analysis 目 錄 1 引言11.1 后驅(qū)動(dòng)橋橋殼的分類11.2 國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析研究現(xiàn)狀21.3 國(guó)外驅(qū)動(dòng)橋殼的有限

8、元分析研究現(xiàn)狀31.4 本課題的研究?jī)?nèi)容與目的32 SUV后驅(qū)動(dòng)橋殼建模42.1 UG建模軟件功能介紹42.2 驅(qū)動(dòng)橋殼零部件建模72.3 驅(qū)動(dòng)橋殼零部件裝配102.4 本章小結(jié)113 SUV后驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析113.1 有限元法概述113.2 ANSYA軟件功能介紹123.3 驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型生成133.3.1 創(chuàng)建分析工程項(xiàng)目133.3.2 幾何體材料的添加133.3.3 幾何體網(wǎng)格的劃分153.3.4幾何體載荷和約束的施加163.4 本章小結(jié)164 SUV后驅(qū)動(dòng)橋殼靜應(yīng)力分析174.1 靜應(yīng)力分析介紹174.2 驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D生成174.3 分析結(jié)果及改善措施184.4 本章小

9、結(jié)195 SUV后驅(qū)動(dòng)橋殼模態(tài)分析195.1 模態(tài)分析介紹195.2 常規(guī)模態(tài)分析195.2.1 模態(tài)分析云圖生成195.2.2 模態(tài)分析結(jié)果235.3 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析245.3.1 模態(tài)分析云圖生成245.3.2 模態(tài)分析結(jié)果275.4 模態(tài)分析結(jié)論285.5 本章小結(jié)29結(jié)論30參考文獻(xiàn)32致謝331 引言汽車驅(qū)動(dòng)橋作為整車關(guān)鍵總成之一,直接影響著整車的安全性、平順性、承載性和舒適性,而驅(qū)動(dòng)橋殼作為驅(qū)動(dòng)橋的主要零部件，應(yīng)保證主減速器齒輪正常嚙合，在各種工況下都要避免兩半軸附加彎矩的產(chǎn)生；為了提高汽車的行駛平順性能，應(yīng)盡量減小橋殼的質(zhì)量，但仍要保證所需的強(qiáng)度和剛度；為了保證汽車的跨越性能，應(yīng)

10、使其有足夠的離地間隙；橋殼中裝配著主減速器、差速器等零部件，在汽車行駛過程中，可能會(huì)有塵土、泥水的進(jìn)入，所以橋殼應(yīng)保證力矩可以正常傳遞；同時(shí)，橋殼在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)考慮到在后期的維修過程中，橋殼及其他零部件的拆卸方便。后驅(qū)動(dòng)橋殼傳遞著地面與車身之間的作用力，它的作用與功能要求其在設(shè)計(jì)、鑄造、焊接、安裝過程中有良好的強(qiáng)度、剛度及特性。為了滿足人們對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼性能的要求，就需要研究人員對(duì)橋殼進(jìn)行相應(yīng)的有限元分析，可以快速、準(zhǔn)確的改善橋殼性能。有限元分析的基本思想是將物體離散化，通過一系列的邊界條件及約束，使各個(gè)離散單元以不同的方式連接為一組合體，這樣就可以用組合體將復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行求解。而隨著計(jì)算機(jī)

11、技術(shù)的成熟，CAE工程分析軟件將一切步驟系統(tǒng)化、快速化、準(zhǔn)確化，有效的解決了設(shè)計(jì)分析過程中的大型、復(fù)雜計(jì)算問題，一系列的分析軟件使得各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)水平都有很大程度的提高。1.1 后驅(qū)動(dòng)橋橋殼的分類驅(qū)動(dòng)橋殼可大體上分為可分式、整體式和組合式三種類型。1、可分式橋殼可分式橋殼（如圖1-1所示）分為左右兩個(gè)部分，這兩個(gè)部分通過螺栓連接為一整體?？煞质綐驓そY(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主減速器支承剛度好，但是在拆裝、維修方面不方便，現(xiàn)在使用較少。 圖1-2 整體式橋殼圖1-1 可分式橋殼 2、 整體式橋殼 整體式橋殼（如圖1-2所示）的整個(gè)橋殼是一個(gè)空心梁，橋殼和主減速器是單獨(dú)的兩個(gè)個(gè)體，拆裝主減速器時(shí)較方便。常見的整體

12、式橋殼有整體鑄造、鋼板沖壓焊接、中段鑄造兩端壓入鋼板、鋼管擴(kuò)張成形等形式。3、 組合式橋殼 組合式橋殼（如圖1-3所示）的主減速器與部分橋殼鑄為一體，用無縫鋼管分別壓入殼體兩端，兩者之間用塞焊或銷釘固定。這種橋殼的從動(dòng)齒輪軸承的支承剛度較好，常用于乘用車和總質(zhì)量較小的商用車上。圖1-3 組合式橋殼1.2 國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析研究現(xiàn)狀在我國(guó)，許多企業(yè)和研究人員已經(jīng)以有限元分析為基礎(chǔ),將CAD、SOLIDWORKS、UG和ANSYS等有限元分析軟件結(jié)合起來,成功的通過有限元分析法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼三維模型的分析過程,從而得出了驅(qū)動(dòng)橋殼在各種典型工況下的應(yīng)力分布情況。中國(guó)長(zhǎng)安汽車公司就通過建模軟

13、件SOLIDWORKS結(jié)合有限元軟件NASTRAN對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析,根據(jù)相應(yīng)的分析結(jié)果，對(duì)橋殼殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使得驅(qū)動(dòng)橋順利通過了道路試驗(yàn)；東風(fēng)汽車公司對(duì)汽車輕卡驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行分析，應(yīng)用UG建模軟件建立驅(qū)動(dòng)橋殼的幾何模型，再利用CATIA軟件對(duì)橋殼模型進(jìn)行分析處理，包括模態(tài)分析、強(qiáng)度分析，通過對(duì)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D的分析，對(duì)橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以上研究成果表明有限元分析能很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼模型的分析處理,有效降低設(shè)計(jì)成本,縮短了設(shè)計(jì)周期,產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益。1.3 國(guó)外驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析研究現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)模型的有限元分析技術(shù)比國(guó)內(nèi)要成熟許多，尤其在汽車研究方面，德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家

14、早就開始了借助CAE軟件進(jìn)行分析。ABQUS、NASTRA、NANSYS等分析軟件都是由國(guó)外公司開發(fā)設(shè)計(jì)。在驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析上，國(guó)外企業(yè)依靠CAE技術(shù)將工程設(shè)計(jì)的分析環(huán)節(jié)有機(jī)地組織起來，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析全過程的準(zhǔn)確化、快速化、信息化，提高工程質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。CAE軟件分析涉及多個(gè)方面，在汽車領(lǐng)域，公司針對(duì)特定的結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的分析，通過靜態(tài)結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)分析等，分析產(chǎn)品性能，通過分析結(jié)果還可以對(duì)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。不同的模塊可以進(jìn)行不同的功能分析，包括模型的物理性能、力學(xué)性能，通過對(duì)三維模型的處理進(jìn)行結(jié)構(gòu)的評(píng)比和優(yōu)化，以改善產(chǎn)品性能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新。

15、1.4 本課題的研究?jī)?nèi)容與目的首先，熟悉汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)，然后熟練掌握三維建模方法，熟練掌握有限元分析軟件并應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)橋殼的模態(tài)分析。利用UG軟件建立驅(qū)動(dòng)橋橋殼模型，然后可以將其導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行分析處理，為后續(xù)分析提供有限元模型。進(jìn)行強(qiáng)度分析，可以利用ANSYS對(duì)橋殼進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)橋殼施加載荷，得出相應(yīng)的變形和應(yīng)力分布情況，看橋殼是否滿足強(qiáng)度及剛度的要求，看最大變形和最大應(yīng)力出現(xiàn)在橋殼的哪個(gè)位置，在對(duì)橋殼進(jìn)一步優(yōu)化時(shí)，就要著重考慮該處的結(jié)構(gòu)、焊接情況，以延長(zhǎng)橋殼壽命；進(jìn)行模態(tài)分析，分別對(duì)橋殼進(jìn)行常規(guī)模態(tài)分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，分別在兩種狀態(tài)下計(jì)算出橋殼在前6階模態(tài)下的振動(dòng)特

16、性，即固有頻率和振型，對(duì)兩種模態(tài)下的分析結(jié)果進(jìn)行比較，并分析橋殼是否會(huì)因路面或發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)而產(chǎn)生共振現(xiàn)象等，分析橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。CAE分析的主要流程如圖1-4所示： 圖1-4 CAE分析流程圖 2 SUV后驅(qū)動(dòng)橋殼建模2.1 UG建模軟件功能介紹UG建模軟件具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊，成功的將工程設(shè)計(jì)、機(jī)械繪圖、仿真建模融合為一體，提高了工程設(shè)計(jì)中的靈活性和隨動(dòng)性，滿足了研發(fā)人員對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要。在開發(fā)周期中，可以通過UG建立預(yù)想的模型，通過對(duì)實(shí)體的仿真，全面、快速的完成對(duì)實(shí)體的預(yù)期要求，從而通過一系列軟件分析，來確定其產(chǎn)品是否符合要求，避免了材料的浪費(fèi)、周期過長(zhǎng)、設(shè)計(jì)緩慢等缺點(diǎn)。而本課

17、題中，主要用到了UG的建模功能（如圖2-1所示）、草圖功能（如圖2-2所示）以及裝配功能（如圖2-3所示）。 圖2-1 建模界面進(jìn)入U(xiǎn)G軟件后，點(diǎn)擊“新建”，選擇“模型”，就會(huì)進(jìn)入圖2-1所示的界面。在這個(gè)界面中，可以通過成形特征等操作，繪制六面體、圓柱、球等規(guī)則的模型，在已有模型基礎(chǔ)上可以進(jìn)行倒角、倒圓、打孔、凸臺(tái)等操作，還可以通過布爾運(yùn)算完成對(duì)多個(gè)實(shí)體的求和、求差等運(yùn)算，另外其中的掃掠、旋轉(zhuǎn)、拉伸等操作可以將二維圖形轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的三維模型。工具欄為用戶提供了強(qiáng)大的功能，例如在此界面環(huán)境下可以將UG模型導(dǎo)出為其他格式的文件；可以改變模型的密度等屬性；可以由線段生成曲面或者由曲面生成曲面，特別有

18、助于進(jìn)行不規(guī)則曲面的繪制等。 圖2-2 草圖界面進(jìn)入到建模環(huán)境之后，點(diǎn)擊圖2-1所示界面的“草圖”命令，就會(huì)進(jìn)入圖2-2所示的草圖界面，在這個(gè)界面中，在選取的平面上進(jìn)行二維圖繪制，可以通過基本曲線如直線、圓等進(jìn)行繪制，還可以通過添加約束和尺寸得到相應(yīng)的圖形，繪制完成后點(diǎn)擊“完成草圖”命令，回到圖2-1所示的界面，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作完成模型的建立。此環(huán)境的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以簡(jiǎn)單方便的完成由二維圖向三維模型的生成過程，可以依用戶需要，在所需的任何平面進(jìn)行圖形繪制，有效的降低建立了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型的難度。 圖2-3 裝配界面建立好各零件的模型后，可以在圖2-3所示的界面進(jìn)行裝配，點(diǎn)擊“添加組件”，依次

19、添加各零件，需要注意的是添加的第一組件為基準(zhǔn)件，定位為絕對(duì)原點(diǎn)，即此件建模時(shí)的原點(diǎn)，第二件組件的定位時(shí)可以通過選擇原點(diǎn)以及移動(dòng)組件完成，要注意先選移動(dòng)的，后選基準(zhǔn)件，也可以通過添加約束實(shí)現(xiàn)組件的定位。裝配過程的準(zhǔn)確度和約束程度直接影響著爆炸圖是否可以成功生成，裝配完成后，點(diǎn)擊“自動(dòng)爆炸組件”就可以生成爆炸圖。2.2 驅(qū)動(dòng)橋殼零部件建模對(duì)于整體式驅(qū)動(dòng)橋即非斷開式驅(qū)動(dòng)橋，半軸套管與主減速器殼剛性連接到一起，兩側(cè)的半軸和驅(qū)動(dòng)車輪不能在橫向平面內(nèi)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，凸緣盤是用來固定制動(dòng)底板，最外端法蘭是來安裝輪轂，半軸套管外端用以安裝輪轂軸承，后蓋上應(yīng)裝有檢查油面用的螺塞等。安裝制動(dòng)底板的凸緣與橋殼鑄在一起，

20、鋼板彈簧座與橋殼鑄成一體，橋殼中部前段的平面及孔用于安裝主減速器及差速器的總成，后端平面及孔可裝上后蓋，打開后蓋看做檢視孔用。下面介紹主要零部件的建模過程： 圖2-4 橋殼如圖2-4所示，首先先完成橋殼本體的左半部分A-C的建立，先完成A-B部分，AB部分可通過連續(xù)的選擇基準(zhǔn)面進(jìn)入草圖拉伸，進(jìn)行布爾加操作，然后進(jìn)行抽殼操作而得到。BC段上半部分可先后進(jìn)入草圖繪制截面曲線和引導(dǎo)線，再通過掃掠操作得到上半部分的片體，然后通過鏡像，得到BC段下半部分，再進(jìn)行上下兩片體的橋接，然后進(jìn)行片體加厚操作，最后通過布爾加運(yùn)算，得到AC段模型，再通過鏡像得到驅(qū)動(dòng)橋殼另外一部分，再通過一次布爾加運(yùn)算得到橋殼本體。

21、然后逐步完成墊片、通氣塞、彈簧座等的模型建立。 圖2-5 后蓋如圖2-5所示，先選定基準(zhǔn)平面，進(jìn)入草圖，繪制基本封閉曲線，完成草圖后一Y軸為旋轉(zhuǎn)軸，以原點(diǎn)為圓心，旋轉(zhuǎn)得到一實(shí)體，再通過布爾求差操作得到面，隨后進(jìn)行倒角，再進(jìn)行一次抽殼，得到基本的模型。然后再設(shè)定相應(yīng)的基準(zhǔn)平面，逐一繪制螺塞等部件。凸緣盤、彈簧座的模型圖分別如圖2-6、圖2-7所示： 圖2-6 凸緣盤 圖2-7 彈簧座 2.3 驅(qū)動(dòng)橋殼零部件裝配完成橋殼各零部件的建模后，需要在UG裝配環(huán)境下進(jìn)行裝配。主要裝配過程如下：建立一個(gè)新的界面，然后點(diǎn)擊“裝配”，進(jìn)入裝配界面后，逐一添加組件，第一組件的定位選項(xiàng)要選擇“絕對(duì)原點(diǎn)”，“設(shè)置”選

22、項(xiàng)中的“引用集”“圖層選項(xiàng)”分別選擇“模型”“工作”項(xiàng)，如圖2-8所示。隨后繼續(xù)添加的組件，例如添加凸緣盤后，如圖2-9所示，通過添加約束以保證裝配精度。在對(duì)凸緣盤和橋殼進(jìn)行裝配約束時(shí)，在“接觸對(duì)齊”條件下，需先自動(dòng)判斷中心（軸），隨后繼續(xù)添加約束，由于對(duì)兩平面進(jìn)行接觸約束時(shí)，并不能對(duì)組件進(jìn)行唯一定位，所以要選擇凸緣盤的端面與橋殼的錐面進(jìn)行接觸約束，完成兩個(gè)組件的裝配。其他的組件按照上述方法逐一裝配，裝配好橋殼模型的一半部分后，可以通過鏡像裝配完成另外一部分的裝配。圖2-9 添加凸緣盤 圖2-8 添加組件在進(jìn)行裝配之前，一定要先熟悉掌握驅(qū)動(dòng)橋殼各零部件之間的位置關(guān)聯(lián)，即各部件之間的裝配關(guān)系，裝

23、配過程中，明確各組件間的約束條件,這樣才能提高裝配精度，以保證正確裝配，以及隨后的爆炸圖生成，爆炸圖如圖2-10所示： 圖2-10爆炸圖完成建模工作后，下一步就需要借助ANSYS對(duì)所需的幾何部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而模型結(jié)構(gòu)、尺寸的精準(zhǔn)度直接影響著網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，以及隨后結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果。所以，建立模型時(shí)一定要嚴(yán)格按照尺寸進(jìn)行繪制，保證模型的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，以保證模型的質(zhì)量，再導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行分析之前，還需將幾何體裝換為ANSYS所能識(shí)別的格式文件。2.4 本章小結(jié)本章主要介紹了驅(qū)動(dòng)橋殼的建模過程，對(duì)UG建模軟件的功能做了簡(jiǎn)單的介紹。對(duì)軟件使用的熟練程度，直接影響著建模的速度與質(zhì)量，而模型質(zhì)量對(duì)之

24、后的有限元分析有著很大的影響。所以，在建立橋殼三維模型的過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照橋殼結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行繪制。建立完成后，在導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，必須把結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成軟件可以識(shí)別的文件，比如.step、.x_t、.igs等，本課題中，將結(jié)構(gòu)裝換為parasolid格式，即.x_t文件。3 SUV后驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析3.1 有限元法概述伴隨著機(jī)械設(shè)計(jì)過程，需要對(duì)工程研究項(xiàng)目進(jìn)行一系列的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性分析，而其主要的理論依據(jù)就是結(jié)構(gòu)力學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)和彈、塑性力學(xué)等。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)結(jié)構(gòu)的要求也越來越高，對(duì)結(jié)構(gòu)材料的要求也越來越廣泛，導(dǎo)致新材料不斷出現(xiàn)，而工程結(jié)構(gòu)的形狀、構(gòu)造和載荷也越

25、來越復(fù)雜，所以原有的理論分析體系也逐漸無法滿足人們的需求，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，傳統(tǒng)的求解方法幾乎無法得到結(jié)果。因此在20世紀(jì)，人們開始試著尋找依據(jù)力學(xué)問題或場(chǎng)問題的近似求解方法。在一般的力學(xué)或場(chǎng)問題求解過程中，我們可以通過建立他們所遵循的基本方程，即微分方程，包括常微分方程和偏微分方程，以及相應(yīng)的邊界條件，以達(dá)到求解目的。數(shù)學(xué)家從微分方程出發(fā)，分析出了可以直接建立在這些方程之上的一般求解方法，如有限差分近似法、求適當(dāng)定義的泛函的極值近似方法等。當(dāng)上述幾種方法遇到邊界條件復(fù)雜、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的問題時(shí)，求解就會(huì)發(fā)生困難。為此，機(jī)械工程師借助了更直觀的方法來解決連續(xù)體的各種力學(xué)問題，即有限元法。有限元

26、法分析問題時(shí)要先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別分析，在應(yīng)力分析中，我們應(yīng)該明白分析的是靜力學(xué)問題還是動(dòng)力學(xué)問題，是否包含非線性，要從分析中得到什么結(jié)果。而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化時(shí)，會(huì)不可避免的出現(xiàn)一些誤差，在實(shí)際分析過程中，產(chǎn)生誤差的主要來源是：建模誤差、離散化誤差和數(shù)值誤差。為了降低分析計(jì)算誤差，就需要優(yōu)化改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)，改變網(wǎng)格的尺寸大小和劃分形狀，以及計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和計(jì)算結(jié)果的精度顯示能力。有限元模型的建立要依靠結(jié)構(gòu)實(shí)際的形狀和實(shí)際的工況，而在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)過程中，有許多結(jié)構(gòu)是為滿足加工、搬運(yùn)、裝配等要求而產(chǎn)生的，對(duì)其進(jìn)行分析時(shí)，可將一些細(xì)節(jié)部件進(jìn)行忽略，如：倒角、倒圓、小孔等。但必須保證簡(jiǎn)化后的模型應(yīng)盡可能

27、反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，使有限元模型的抗彎、抗剪剛度與實(shí)際工況相符。3.2 ANSYA軟件功能介紹 本課題中用到的有限元分析軟件是ANSYS軟件，ANSYS軟件具有強(qiáng)大的工程分析功能，可以與其他各種大型CAD軟件進(jìn)行集成，通過簡(jiǎn)單的操作就可以將有限元分析和工程制圖高效、有機(jī)的組合在一起。ANSYS軟件主要包括3個(gè)部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)絡(luò)劃分工具，在前處理模塊中用戶既可以從其他集成軟件中導(dǎo)入幾何體模型，又可以在自身軟件環(huán)境下建立所需的模型結(jié)構(gòu)，此外還可以依據(jù)實(shí)際情況，對(duì)模型進(jìn)行屬性的設(shè)置，包括材料的選擇、密度的設(shè)定等；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分

28、析、流體動(dòng)力學(xué)分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，在分析計(jì)算模塊中，先確定所要對(duì)模型進(jìn)行的分析屬于何種類型，然后根據(jù)工況的不同和所需結(jié)果數(shù)據(jù)的不同，對(duì)模型進(jìn)行不同的分析計(jì)算；后處理模塊可以將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以表格、曲線形式顯示或輸出。 圖3-1 工程項(xiàng)目 3.3 驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型生成3.3.1 創(chuàng)建分析工程項(xiàng)目在進(jìn)行有限元分析時(shí)，要將幾何體進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋殼，要忽略某些結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，將對(duì)分析結(jié)果影響較小的零部件進(jìn)行忽略和簡(jiǎn)化，然后導(dǎo)出為parasolid（.x_t格式）文件。進(jìn)入ANSYS軟件后，如圖3-1所示，進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)要在工程

29、項(xiàng)目窗口創(chuàng)建Modal項(xiàng)目，進(jìn)行靜應(yīng)力分析時(shí)需創(chuàng)建Static Structural項(xiàng)目，創(chuàng)建好項(xiàng)目后，導(dǎo)入橋殼模型，隨后雙擊Geometry選項(xiàng)，進(jìn)去DesignModeler界面，選擇單位為毫米，生成幾何體如圖3-2，關(guān)于幾何體結(jié)構(gòu)的要求均在UG軟件中進(jìn)行體現(xiàn)，所以在DM界面中不需對(duì)幾何體進(jìn)行任何操作。生成幾何體后退出DM界面，回到主界面。3.3.2 幾何體材料的添加 通過Engineering Data項(xiàng)，進(jìn)入工程材料界面，為驅(qū)動(dòng)橋殼添加材料，進(jìn)行材料屬性的設(shè)置。進(jìn)入如圖3-3所示界面，由于軟件系統(tǒng)中沒有材料Q235，所以需要自己進(jìn)行添加，點(diǎn)擊第一工具欄中的第十項(xiàng)，創(chuàng)建新材料，隨后將橋殼

30、的具體參數(shù)添加到材料屬性當(dāng)中，根據(jù)需要設(shè)置的屬性，從左側(cè)工具欄中進(jìn)行添加，隨后在界面中設(shè)置各屬性的具體參數(shù)，如圖3-4所示。添加完成后，回到工程管理界面。 圖3-2 DM界面 圖3-3 工程材料 圖3-4 材料屬性3.3.3 幾何體網(wǎng)格的劃分在工程項(xiàng)目管理窗口中，雙擊項(xiàng)目的Model項(xiàng)，就會(huì)進(jìn)入Mechanical界面，在左側(cè)分析樹中進(jìn)行對(duì)該模塊的操作。在solid欄中添加模型材料，將系統(tǒng)默認(rèn)材料項(xiàng)修改為材料Q235，然后在Mesh欄中進(jìn)行網(wǎng)格屬性設(shè)置，因?yàn)榫W(wǎng)格的屬性，尤其是網(wǎng)格的大小尺寸對(duì)劃分的進(jìn)度和質(zhì)量有很大影響，所以需要結(jié)合計(jì)算機(jī)處理情況，經(jīng)過多次試驗(yàn)后得出最適合的網(wǎng)格尺寸，本課題中將網(wǎng)

31、格的劃分形狀選為系統(tǒng)默認(rèn)值，將網(wǎng)格大小設(shè)置為0.01m，設(shè)置完成后，生成網(wǎng)格如圖3-5，網(wǎng)格中生成節(jié)點(diǎn)50672個(gè)，單元格25997個(gè)。 圖3-5 網(wǎng)格劃分 圖3-6 施加載荷和約束3.3.4幾何體載荷和約束的施加繼續(xù)在Mechanical 界面中對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行操作，在Static Structural（靜態(tài)結(jié)構(gòu)）項(xiàng)下，對(duì)模型進(jìn)行固定約束，在對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析中，要對(duì)兩凸緣盤端面進(jìn)行約束，需要添加兩次固定約束命令，分別對(duì)兩端面進(jìn)行約束。在兩簡(jiǎn)化彈簧座的上表面進(jìn)行載荷施加時(shí)，也要添加兩次載荷施加命令，分別對(duì)所需面進(jìn)行施加，在施加過程中，需要注意載荷的矢量方向，按照實(shí)際中驅(qū)動(dòng)橋殼所受到的力的方向進(jìn)

32、行施加，載荷和約束添加完畢后，進(jìn)行求解，求解完畢后，界面如圖3-6所示，完成對(duì)幾何體的約束和載荷的添加操作。3.4 本章小結(jié)本章主要介紹了CAE分析中的前處理和有限元分析階段，對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行選取和設(shè)置，比如泊松比、密度等重要參數(shù)的選定。同時(shí)，為了保證結(jié)果分析的準(zhǔn)確性，需要結(jié)合運(yùn)算周期對(duì)網(wǎng)格的屬性進(jìn)行必要的設(shè)定。在向結(jié)構(gòu)添加約束時(shí)，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況，準(zhǔn)確的掌握所需固定約束的表面，防止欠約束和過約束的產(chǎn)生，為之后應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D的生成做好準(zhǔn)備工作。4 SUV后驅(qū)動(dòng)橋殼靜應(yīng)力分析4.1 靜應(yīng)力分析介紹對(duì)橋殼進(jìn)行強(qiáng)度分析，即進(jìn)行靜力學(xué)分析，在橋殼的受力面上施加靜態(tài)載荷，此時(shí)系統(tǒng)中的慣性以及阻尼就忽略不計(jì)，

33、進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，必須對(duì)橋殼進(jìn)行充分約束，因?yàn)闃驓ぴ谳d荷作用下應(yīng)處于靜態(tài)平衡狀態(tài)，而又由于忽略慣性則不用考慮橋殼的質(zhì)量的影響。同時(shí)，若加載力時(shí)加載的很緩慢，使得橋殼的自振周期遠(yuǎn)小于載荷變化的周期，那么仍可忽略橋殼的慣性，將情況簡(jiǎn)化為普通的靜力學(xué)分析。對(duì)于本課題，只需在考慮兩端受靜載荷作用下，對(duì)橋殼進(jìn)行分析即可。4.2 驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D生成將簡(jiǎn)化后的橋殼模型轉(zhuǎn)化為parasolid（.x_t）文件之后，導(dǎo)入到分析軟件ANSYS中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)新材料的添加和網(wǎng)格的劃分，隨后對(duì)橋殼添加約束和載荷，待以上工作均完成后，在界面左側(cè)的分析樹中，選擇Static Structural（求解）項(xiàng)，在彈出的菜單

34、里選擇等效應(yīng)力項(xiàng)和總變形項(xiàng)，而與其相對(duì)應(yīng)的具體操作都會(huì)出現(xiàn)在分析樹中，將命令添加完畢后，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解操作，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)求解過程進(jìn)度條，待求解完畢后，進(jìn)度條消失，在分析樹求解項(xiàng)的分支中點(diǎn)擊相應(yīng)的項(xiàng)會(huì)生成相應(yīng)的分析云圖，總變形分析云圖和應(yīng)力分析云圖分別如圖4-1、圖4-2所示。圖4-1 總變形云圖圖4-2 等效應(yīng)力云圖4.3 分析結(jié)果及改善措施根據(jù)總應(yīng)變分布云圖，橋殼的最大變形發(fā)生在橋殼在中部，隨著橋殼由中部向兩端延伸，變形量逐漸減小，且橋殼左右兩部分的應(yīng)變分布情況基本相同，最大變形量Zmax0.4mm，而許用剛度=1.5mm，可知Zmax，所以橋殼滿足剛度條件；根據(jù)等效應(yīng)力分析云圖可知，橋殼中部

35、所受應(yīng)力最小，橋殼左右兩半部分應(yīng)力分布情況基本相同，從彈簧座開始，應(yīng)力明顯增大，在有結(jié)構(gòu)突變處，出現(xiàn)應(yīng)力最大值，應(yīng)力約為278MPa，有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在凸緣盤與橋殼連接處的應(yīng)力值也較大，應(yīng)力值約為247MPa。橋殼所受最大應(yīng)力max278MPa,而許用應(yīng)力=375500MPa，可知max，此外在最大應(yīng)力處，橋殼的變形量為0.05mm，遠(yuǎn)小于許用剛度，所以橋殼的強(qiáng)度和剛度均符合要求。對(duì)于工程中結(jié)構(gòu)，必須要同時(shí)滿足剛度條件和強(qiáng)度條件，而大多數(shù)情況下，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度條件起著至關(guān)重要的決定性作用，所以一般情況下是在強(qiáng)度危險(xiǎn)截面要再進(jìn)行剛度校核。為了提高橋殼的強(qiáng)度，要合理安排支座位置，結(jié)合汽車實(shí)際布置

36、情況，合理的改善兩彈簧座間的距離，減小最大彎矩；選擇合理的截面形狀，提高橋殼的抗彎截面系數(shù)；合理設(shè)計(jì)橋殼的結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)尺寸突然變化，避免應(yīng)力集中，提高焊接質(zhì)量，避免出現(xiàn)缺陷。為了提高橋殼的剛度，可以改變力的施加方式，減小彎矩；可以增加約束，合理的增加支承點(diǎn)數(shù)目，減小最大變形量；選擇合理的截面形狀，增大橋殼的慣性矩；還可以減小汽車的橫向尺寸，以減小橋殼的長(zhǎng)度，降低最大變形量；在必要時(shí)，可以再橋殼上施加預(yù)變形，預(yù)變形的方向與橋殼實(shí)際的變形方向相反，以達(dá)到減小受力變形的目的。4.4 本章小結(jié)本章主要是對(duì)橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜應(yīng)力分析，包括強(qiáng)度分析和剛度分析。通過強(qiáng)度分析，找到結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大應(yīng)力的位置，改善其

37、結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)橋殼整體的使用壽命；通過剛度分析，得到橋殼整體的變形情況，找到最大變形度，提高其剛度，使橋殼的強(qiáng)度和剛度都符合要求。根據(jù)分析出的結(jié)果，相應(yīng)的找到解決問題的方法，對(duì)對(duì)橋殼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。5 SUV后驅(qū)動(dòng)橋殼模態(tài)分析5.1 模態(tài)分析介紹模態(tài)分析可以幫助設(shè)計(jì)人員確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，從而幫助研究人員可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在不同工況下的振動(dòng)形式，有利于在以后的動(dòng)力學(xué)分析中進(jìn)行重要參數(shù)的估算。模態(tài)分析過程就是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行特征值以及特征向量的求解過程，根據(jù)生成的云圖，可以直觀的看到結(jié)構(gòu)在不同情況下的變形情況。對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋殼的模態(tài)分析，就可以通過云圖明確橋殼在各階振型下的彎曲情況，得到橋殼的固有特性。模態(tài)分

38、析有包括常規(guī)模態(tài)分析還預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，常規(guī)模態(tài)分析是在沒有任何外應(yīng)力施加的情況下對(duì)幾何體經(jīng)過分析，是最基本的模態(tài)分析模式，相對(duì)的，預(yù)應(yīng)力分析就是在有約束的前提下，再對(duì)橋殼施加預(yù)應(yīng)力，從而分析幾何體的頻率和振型，在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，其受到的應(yīng)力可能會(huì)對(duì)幾何體的剛度造成影響，比如在拉小提琴的過程中，每一根弦的松弛程度都影響著發(fā)音，即比較緊的弦有較大的剛度，致使其固有頻率較高，剛度的不同影響著頻率的不同，而頻率的不同又影響著發(fā)音的不同。5.2 常規(guī)模態(tài)分析5.2.1 模態(tài)分析云圖生成對(duì)橋殼進(jìn)行常規(guī)模態(tài)分析時(shí)，需將橋殼模型轉(zhuǎn)化為.x_t格式，然后導(dǎo)入ANSYS生成幾何體，再對(duì)幾何體添加所需的新材料屬性并完成

39、網(wǎng)格劃分，劃分完畢后，網(wǎng)格中生成節(jié)點(diǎn)50672個(gè)，單元格25997個(gè)。隨后對(duì)模型進(jìn)行約束，即分別向凸緣盤兩端面施加固定約束，添加兩次施加約束命令，施加約束后的結(jié)果如圖5-1所示。圖5-1 施加約束在左側(cè)分析樹中，對(duì)Model項(xiàng)右擊進(jìn)行求解，根據(jù)模型所劃分的網(wǎng)格的尺寸不同和計(jì)算機(jī)本身的處理能力不同，進(jìn)行求解時(shí)所需要的時(shí)間也不同。待求解完成后，打開Detail of analysis settings窗口中，將需要計(jì)算的模態(tài)數(shù)量設(shè)置為6，即對(duì)橋殼進(jìn)行前6階模態(tài)分析，然后選擇Solution項(xiàng)，在彈出的菜單中選擇總變形命令，此時(shí)，會(huì)在分析樹中出現(xiàn)該選項(xiàng)的具體命令，因?yàn)橐M(jìn)行6階模態(tài)求解，所以需要添加

40、六次總變形命令，在依次對(duì)變形具體項(xiàng)中的階數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完畢后進(jìn)行求解。求解完成后，要生成結(jié)果云圖，依次選擇分析樹中的總變形選項(xiàng)，分別生成各階模態(tài)總變形云圖如下：圖5-2 一階振型模態(tài)云圖圖5-3 二階振型模態(tài)云圖圖5-4 三階振型模態(tài)云圖圖5-5 四階振型模態(tài)云圖圖5-6 五階振型模態(tài)云圖 圖5-7 六階振型模態(tài)云圖5.2.2 模態(tài)分析結(jié)果 完成對(duì)橋殼的常規(guī)模態(tài)分析計(jì)算后，結(jié)合各階模態(tài)云圖以及顯示的各階頻率，得到各階模態(tài)頻率和振型如表5-1所示： 表5-1 常規(guī)模態(tài)分析結(jié)果階數(shù) 頻率（Hz）振型描述 1146.62在XY平面內(nèi)發(fā)生一階彎曲 2225.48在XZ平面內(nèi)發(fā)生一階彎曲 3415.3

41、7繞X軸發(fā)生整體扭轉(zhuǎn) 4483.41在XZ平面內(nèi)發(fā)生二階彎曲 5538.23在XY平面內(nèi)發(fā)生二階彎曲 6953.48在XY平面內(nèi)發(fā)生三階彎曲5.3 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析5.3.1 模態(tài)分析云圖生成借助ANSYS軟件對(duì)橋殼模型進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析時(shí)，需要在custom system下選擇預(yù)應(yīng)力分析模塊，如圖5-8所示，這樣兩個(gè)模塊之間的資源與數(shù)據(jù)就可以共享。建立好項(xiàng)目后，通過A3 Geometry項(xiàng)導(dǎo)入橋殼模型（.x_t格式），再到DM界面中生成幾何體，為幾何體添加新材料后，對(duì)幾何體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格中生成節(jié)點(diǎn)50672個(gè)，單元格25997個(gè)。劃分完畢后，對(duì)幾何體添加約束和載荷，如圖3-6所示。 圖5-

42、8 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析生成有限元模型后，對(duì)模型進(jìn)行求解，然后生成前6階模態(tài)下的模態(tài)分析云圖，各階分析圖如下： 圖5-9 一階預(yù)應(yīng)力模態(tài)圖5-10 二階預(yù)應(yīng)力模態(tài)圖5-11 三階預(yù)應(yīng)力模態(tài) 圖5-12 四階預(yù)應(yīng)力模態(tài)圖5-13 五階預(yù)應(yīng)力模態(tài)圖5-14 六階預(yù)應(yīng)力模態(tài)5.3.2 模態(tài)分析結(jié)果結(jié)合生成各階模態(tài)云圖，以及顯示的各階頻率，可得到各階預(yù)應(yīng)力模態(tài)下的頻率和振型如表5-2所示： 表 5-2 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析結(jié)果階數(shù) 頻率（Hz）振型描述 1146.61在XY平面內(nèi)發(fā)生一階彎曲 2225.43在XZ平面內(nèi)發(fā)生一階彎曲 3415.23繞X軸發(fā)生整體扭轉(zhuǎn) 4483.34在XZ平面內(nèi)發(fā)生二階彎曲 5538

43、.22在XY平面內(nèi)發(fā)生二階彎曲 6953.45在XY平面內(nèi)發(fā)生三階彎曲5.4 模態(tài)分析結(jié)論結(jié)合常規(guī)模態(tài)分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析結(jié)果可知，在兩種情況下，驅(qū)動(dòng)橋殼各階模態(tài)下的頻率沒有很大差別，各主要振型也基本相同，這說明頻率和振型屬于物體的固有特性，與施加給結(jié)構(gòu)的應(yīng)力沒有關(guān)系，在受到預(yù)應(yīng)力后，橋殼的剛度也沒有顯著的變化，各部分的變形情況基本相同。在實(shí)際工況中，驅(qū)動(dòng)橋作為傳動(dòng)系的末端傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)橋殼很容易受到來自地面或傳動(dòng)系的力和力矩的影響，所以其振型和頻率也會(huì)受到輕微的擾動(dòng)。在一階模態(tài)下，橋殼在XY平面內(nèi)發(fā)生了一階彎曲，其中橋殼中部的變形最大，最大變形量為0.326m；在二階模態(tài)下，橋殼在XZ平面內(nèi)

44、發(fā)生一階彎曲，橋殼中部變形最大，最大變形量為0.284m；在三階模態(tài)下，橋殼繞X軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，最大變形發(fā)生在橋殼中部，且變形區(qū)集中，最大變形量約為0.538m；在四階模態(tài)下，橋殼在XZ平面內(nèi)發(fā)生了二階彎曲，最大變形發(fā)生在橋殼中部?jī)蓚?cè)，即軸套中部，最大變形量約為0.291m；在五階模態(tài)下，橋殼在XY平面內(nèi)發(fā)生二階彎曲，最大變形發(fā)生在軸套中部，最大變形量約為0.298m；在六階模態(tài)下，橋殼在XY平面內(nèi)發(fā)生三階彎曲，變形嚴(yán)重，最大變形出現(xiàn)在軸套中部和橋殼中部頂端，最大變形量約為0.336m?？梢钥闯?，在三階模態(tài)下，橋殼發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)所產(chǎn)生的變形最大，且變形非常集中，危害很大，應(yīng)盡力避免橋殼在此頻率下發(fā)

45、生共振。實(shí)際工況中應(yīng)主要考慮橋殼在前兩階模態(tài)下的狀態(tài)，因?yàn)槠渌B(tài)下的橋殼變形嚴(yán)重，出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)、二階彎曲，甚至三階彎曲，此刻的橋殼已不能正常工作，而前兩階模態(tài)中，最大變形都發(fā)生在橋殼中部，軸套中部變形也較嚴(yán)重，所以在橋殼設(shè)計(jì)中，應(yīng)著重考慮橋殼中部以及軸套中部的模態(tài)分布情況。一般情況下，在汽車行駛過程中，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說路面是最主要的激勵(lì)源，而多數(shù)情況下路面所引起的激勵(lì)頻率范圍約為050Hz,結(jié)合表5-1、表5-2可知，兩種工況下的各階模態(tài)頻率均遠(yuǎn)大于50Hz，有效的避免了驅(qū)動(dòng)橋與地面之間發(fā)生共振，該橋殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。5.5 本章小結(jié)本章主要是橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，包括常規(guī)模態(tài)分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。

46、分別在兩種工況下，對(duì)橋殼結(jié)構(gòu)的固有特性進(jìn)行求取，得到橋殼在前六階模態(tài)下的總應(yīng)變?cè)茍D，再將兩工況下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析橋殼結(jié)構(gòu)是否合理。結(jié)合分析結(jié)果，在之后的設(shè)計(jì)過程中，避免與橋殼發(fā)生共振，并對(duì)其他工況的振動(dòng)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。 結(jié) 論本課題通過建模軟件UG建立驅(qū)動(dòng)橋殼的三維模型，用有限元分析軟件ANSYS對(duì)橋殼進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變的分布情況，指出橋殼工作時(shí)的危險(xiǎn)截面，提高其強(qiáng)度，防止失效；進(jìn)行模態(tài)分析，得到前6階下的模態(tài)分析云圖，以直觀顯示橋殼在各階模態(tài)下振型和固有頻率，避免結(jié)構(gòu)在工作過程中出現(xiàn)共振。在靜力學(xué)分析中，根據(jù)總應(yīng)變分布云圖，橋殼的最大變形發(fā)生在橋殼的中部，隨著橋殼由中部向兩端延伸

47、，變形量逐漸減小，且橋殼左右兩部分的應(yīng)變分布情況基本相同，橋殼的最大變形量小于許用剛度，所以橋殼滿足剛度條件；根據(jù)等效應(yīng)力分析云圖可知，橋殼中部所受應(yīng)力最小，橋殼左右兩半部分應(yīng)力分布情況基本相同，從彈簧座開始，應(yīng)力明顯增大，在有結(jié)構(gòu)突變處，出現(xiàn)應(yīng)力最大值，有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在凸緣盤與橋殼連接處的應(yīng)力值也較大，橋殼所受最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，此外在最大應(yīng)力處，橋殼的變形量也遠(yuǎn)小于許用剛度，所以橋殼的強(qiáng)度和剛度均符合要求。對(duì)于工程中的結(jié)構(gòu)，必須要同時(shí)滿足剛度條件和強(qiáng)度條件，而大多數(shù)情況下，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度條件起著至關(guān)重要的決定性作用，所以一般情況下是在強(qiáng)度危險(xiǎn)截面進(jìn)行剛度校核。為了提高橋殼的強(qiáng)度，要合

48、理安排支座位置，結(jié)合汽車實(shí)際布置情況，合理的改善兩彈簧座間的距離，減小最大彎矩；選擇合理的截面形狀，提高橋殼的抗彎截面系數(shù)；合理設(shè)計(jì)橋殼的結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)尺寸突然變化，避免應(yīng)力集中，提高焊接質(zhì)量，避免出現(xiàn)缺陷。為了提高橋殼的剛度，可以改變力的施加方式，減小彎矩；可以增加約束，合理的增加支承點(diǎn)數(shù)目，減小最大變形量；選擇合理的截面形狀，增大橋殼的慣性矩；還可以減小汽車的橫向尺寸，以減小橋殼的長(zhǎng)度，降低最大變形量；在必要時(shí)，可以再橋殼上施加預(yù)變形，預(yù)變形的方向與橋殼實(shí)際的變形方向相反，以達(dá)到減小受力變形的目的。在模態(tài)分析中，結(jié)合常規(guī)模態(tài)分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析結(jié)果可知，在兩種情況下，驅(qū)動(dòng)橋殼各階模態(tài)下的頻

49、率和振型都沒有很大差別，這說明頻率和振型屬于物體的固有特性，與施加給結(jié)構(gòu)的應(yīng)力沒有關(guān)系，在受到預(yù)應(yīng)力后，橋殼的剛度也沒有顯著的變化，各部分的變形情況基本相同。在實(shí)際工況中，驅(qū)動(dòng)橋作為傳動(dòng)系的末端結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)橋殼在受到力和力矩的影響后，其振型和頻率也會(huì)受到輕微的擾動(dòng)。在一階模態(tài)下，橋殼在XY平面內(nèi)發(fā)生了一階彎曲，其中橋殼中部的變形最大；在二階模態(tài)下，橋殼在XZ平面內(nèi)發(fā)生一階彎曲，橋殼中部變形最大；在三階模態(tài)下，橋殼繞X軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，最大變形發(fā)生在橋殼中部，且變形區(qū)集中；在四階模態(tài)下，橋殼在XZ平面內(nèi)發(fā)生了二階彎曲，最大變形發(fā)生在橋殼中部?jī)蓚?cè)，即軸套中部；在五階模態(tài)下，橋殼在XY平面內(nèi)發(fā)生二階彎曲，最

50、大變形發(fā)生在軸套中部；在六階模態(tài)下，橋殼在XY平面內(nèi)發(fā)生三階彎曲，變形嚴(yán)重，最大變形出現(xiàn)在軸套中部和橋殼中部頂端。結(jié)合云圖可以看出，在三階模態(tài)下，橋殼發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)所產(chǎn)生的變形最大，且變形非常集中，危害很大，應(yīng)盡力避免橋殼在此頻率下發(fā)生共振。實(shí)際工況中應(yīng)主要考慮橋殼在前兩階模態(tài)下的狀態(tài)，因?yàn)槠渌B(tài)下的橋殼變形嚴(yán)重，出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)、二階彎曲，甚至三階彎曲，此刻的橋殼已不能正常工作，而前兩階模態(tài)中，最大變形都發(fā)生在橋殼中部，軸套中部變形也較嚴(yán)重，所以在橋殼設(shè)計(jì)中，應(yīng)著重考慮橋殼中部以及軸套中部的模態(tài)分布情況。一般情況下，在汽車行駛過程中，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說路面是最主要的激勵(lì)源，而多數(shù)情況下路面所引起的激

51、勵(lì)頻率范圍約為050Hz,結(jié)合表5-1、表5-2可知，兩種工況下的各階模態(tài)頻率均遠(yuǎn)大于50Hz，有效的避免了驅(qū)動(dòng)橋與地面之間發(fā)生共振，該橋殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。在以后的研究工作中，可以在汽車轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)或漂移等工況下，對(duì)橋殼施加合理的載荷和約束，通過一系列的強(qiáng)度分析來保證橋殼的強(qiáng)度、剛度滿足實(shí)際要求；此外結(jié)合橋殼的模態(tài)分析結(jié)果，預(yù)測(cè)汽車在不同激勵(lì)源下，橋殼的振動(dòng)狀態(tài)，還可以篩選適合的發(fā)動(dòng)機(jī)，以避免與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生共振，結(jié)合橋殼的靜應(yīng)力分析結(jié)果和模態(tài)分析結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化橋殼結(jié)構(gòu)。 參 考 文 獻(xiàn)1 孫輝,王吉忠,沙德文等.微型車驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與模態(tài)分析.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011年08期2 王望予.汽車設(shè)計(jì).第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20073 劉維信. 汽車車橋設(shè)計(jì). 北京：清華大學(xué)出版社，20044 李海斌.汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析研究.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車