汽车驱动桥桥壳的建模与有限元分析

摘 要IIIAbstractIV第一章 绪 论11.1引言11.2桥壳的分类11.2.1整体式桥壳11.2.2分段式桥壳21.2.3组合式桥壳21.3国内外研究现状31.4选题的目的和意义41.5课题的主要研究内容5第二章 驱动桥壳强度校核计算62.1 简介62.2桥壳的设计要求62.3 桥壳的静弯曲应力计算72.4桥壳的四种经典工况计算82.4.1 在不平路面冲击载荷作用工况82.4.2 以最大牵引力行驶工况82.4.3 汽车紧急制动工况112.4.4 汽车受最大侧向力工况132.3本章小结17第三章 驱动桥壳几何模型的建立183.1 catia软件介绍183.2 几何建模的技巧183.3桥壳模型的简化183.4 CATIA模型的建立19第四章 驱动桥壳模态分析204.1有限元分析理论204.2模型建立与网格划分204.3定义桥壳单元材料属性214.4模态分析214.5本章小结23第五章桥壳各工况的有限元分析245.1最大垂直力工况245.2最大牵引力工况255.3最大制动力工况265.4最大侧向力工况275.5结果分析28第六章总结29参考文献30致谢31汽车驱动桥桥壳的建模与有限元分析摘 要本文通过有限元的静、动态分析理论作为研究基础，利用CATIA软件画出所需的几何模型，并采用ANSYS有限元分析软件，对某种中型货车进行力学性能分析。然后我们得出了桥壳在四种典型工况下的应力分布和变形结果，并得出了桥壳在自由状态下的前面6阶的固有频率与振型。通过计算和仿真, 证明该桥壳满足强度要求,可以满足汽车各种行驶工况,并且不会引起共振。关键词：驱动桥壳；有限元法；静力分析；模态分析Modeling and Finite Element Analysis of Automobile Drive Axle HousingAbstractThis article is based on the finite element method static and dynamic analysis theory, using CATIA to complete 3D geometric modeling. And it uses ANSYS finite element software to analyze the mechanical performance of the drive axle housing of a medium truck. The stress distribution and deformation results of the axle shell under four typical loading cases were obtained, as well as the first six natural frequencies and modes in the free constraint. Through calculations and simulations, it was proved that the axle housing satisfies the strength requirements and can meet various driving conditions of the automobile without resonance.Keywords: drive axle housing; finite element method; CATIA; modal analysis;Static analysis IV第一章 绪 论1.1引言随着对汽车性能要求的不断提高，驱动桥壳作为载重汽车传递及承受载荷的重要安全元件,市场对驱动桥在内的各总成的要求也相应的提高了。因此，我们需要制造设计合理的驱动桥壳,让它在运动载荷下，也可以拥有满足要求的刚度、强度和良好的动态特性,这有利于降低动载荷,并且减少桥壳的质量,完成车身的轻量化，从而提高汽车行驶平顺性和舒适性。1.2桥壳的分类桥壳的主要作用是支撑主减速器、差速器和半轴等部件，以及固定左右驱动轮的相对位置，经过悬架将车轮承受的力矩传递给车架。桥壳内有润滑油，可以润滑桥壳内部的轴承和齿轮，并且桥壳壳体是封闭的，能防止灰尘之类的脏东西进入。驱动桥桥壳按结构型式可分为两类,即整体式、分段式和组合式。1.2.1整体式桥壳整体式桥壳如图（1-1）所示，这种桥壳的中间部分是一个环形空心梁，将桥壳和主减速器分为两体。整体式桥壳的主要特点是强度、刚度较大，使用寿命长。在汽车检查时，不需要把整个驱动桥从汽车上拆下来，这样维修起来比较方便。图1-1某型汽车驱动桥壳整体式桥壳的制造工艺多种多样，我们按照制造工艺来划分，可以分为铸造式、钢板冲压焊接式和扩张式三种。铸造式桥壳的优点是强度和刚度大，缺点是质量大，制造工艺复杂，所以大多用于中、重型货车上。钢板冲压焊接式和扩张式的质量相比较铸造式较小，工艺简单，成本较低，比较适用于批量生产，所以广泛用于轿车以及中、小型货车上。1.2.2分段式桥壳 分段式桥壳的结构特点是将一垂直接合面划分为左右两个部分，每一个部分都是使用一个铸造壳体和一个从外端压入得半轴套管而组成的，其中轴管要用铆钉来和壳体连接。如图1-2所示，两段桥壳用螺栓来连接。图1-2 分段式驱动桥壳分段式桥壳的结构简单，制造的工艺性比较好，很容易进行铸造和加工，但是拆装时要将整个驱动桥取下，维修很不方便，所以如今很少使用。1.2.3组合式桥壳组合式桥壳的结构特点是将主减速器壳体和其中的部分桥壳铸成一个整体，之后我们使用无缝钢管压入桥壳壳体的两端，并用塞焊或销钉固定钢管和桥壳壳体，如图1-3所示。1-3 组合式桥壳组合式桥壳的优点为主减速器的装配比较方便，从动齿轮轴承的刚度好，但是组合式桥壳的加工精度要求很高，不适合大批量生产，因此常用于轿车、轻型货车上。1.3国内外研究现状过去我国驱动桥桥壳的设计采用的是实验和设计交叉进行的研究方法。但是我们设计出的对象要是实物，因此在桥壳结构确定之前，我们需要反复进行制造样品-实验-修改-再设计这样的循环，但是这种研究方式太过于费时费力，严重浪费了珍贵的人力、物力和财力。举个例子，在日本，五十铃公司采用了省略掉桥壳后盖，并且把主减速器处的凸包简化为环形的方法，用弹性力学的原理得出应力分析和变形计算1。虽然弹性力学的计算方法确实很精准，但是在建模时，对桥壳的几何模型进行了太多的简化，这导致了计算结果并不是那么精确。网络计算机的出现以及ANSYS有限元技术的快速发展都为汽车结构与性能的分析带来了全新的变革。在国外,70年代左右,这种方法就已经慢慢为汽车各个零件的强度分析所进行采用,当然对汽车桥壳的强度分析也包括其中。比如,日本的部分公司对驱动桥壳的要求是在汽车2.5倍满载轴荷的作用力下，各断面的应力不应该超过所选材料的屈服极限。在国内，我们已经开始对桥壳刚度和强度计算进行有限元分析，利用有限元软件完各种工况下的模拟。可以使用计算机技术来使桥壳的设计更加合理，为了提高桥壳的强度，我们有以下几种思路：1.优先使用高强度合成的材料。2.要求尽量加大桥壳的尺寸,以提高桥壳的抗弯曲和抗扭转能力。3.通过合理的热处理,可以提高材料的抵抗破坏能力。许多专家对这些问题进行过深入研究,并且提出了十分重要的方案,但由于大都倾向于从结构上解决问题。近几年,重多研究人员与企业开始联合,利用有限元法对桥壳结构进行应力计算和动态分析。文献2建立了矿用汽车的驱动桥桥壳的有限元模型，在汽车极限工况下，进行了桥壳的力学性能分析。实验结果证明，桥壳主体和半轴套管处的应力远远小于材料许用应力，但是悬架支座处的应力出现局部过大的情况。文献3针对某种微型汽车的桥壳进行压力检测时，发生了断裂的现象，通过有限元的使用，利用面向特征进行建模，并建立了桥壳的有限元模型。通过计算得出，如果桥壳出现了局部应力集中的情况，那么只要改变桥壳的受力和局部的结构，就可以使局部应力减小。 文献4首先介绍了有限元的实际应用,之后利用有限元分析软件对汽车桥壳进行分析计算，并简单的说明了传统的桥壳强度计算方法，让我们了解了有限元分析的众多优点。文献5根据模态分析原理,并且阐述桥壳的模态变化特点和实验方法，建立了桥壳的多种动态模型。在此模型上施加不同的约束和载荷，得出驱动桥桥壳的应变响应，从而确定桥壳的疲劳危险点，然后进行仿真模拟。虽然国内对于桥壳轻量化已经做了很多的研究，但是与国外的最新研究6相比，还是存在一定的差距，表现如下：1. 我们国家缺少先进的设计理念，导致没有开发新制造工艺的动力，没能体现出结构轻量化的优势；2. 利用先进的设计理念来弥补实际生产的意识不足；3. 没有认识到结构轻量化能为社会带来多大的社会、经济效益；4. 由于大多是凭借以往的经验来修改主要零件的参数尺寸，因此往往我们只会去校核桥壳在一般静态工况下的力学性能；5. 我国的研究硬件设施过于落后，科研实力比不上其他国家。1.4选题的目的和意义驱动桥是位于汽车传动系末端的汽车主要承载件之一，其中桥壳的主要作用是支撑并保护主减速器、半轴和差速器，并且将发动机产生的转速和扭矩传递到左、右驱动轮上。桥壳是汽车传动系中的主要传动件和承载件，由于使用频率高，磨损严重，使得桥壳很容易发生损坏，其生产的质量和使用性能将会直接影响汽车的实际使用性能和实际使用寿命。首先桥壳要拥有良好的力学性能，如足够的强度、刚度和动态特性，所以我们要合理地设计桥壳，使得汽车的平顺性和舒适性提高。因为我们要保证汽车在静止、加速、转弯、制动之类的路况下正常工作，所以桥壳的工作环境十分恶劣，容易发生磨损，而其磨损的主要原因是由于外界激励的频率和桥壳的固有频率基本相同时，会产生汽车结构的共振，引起较大的动应力。因此，我们需要对桥壳进行力学性能分析，这是研究汽车各个零部件破损原因的重点。汽车的行驶条件多种多样，桥壳也要承受多种十分复杂工况下产生的动态载荷，而动态载荷的动态应力相比较于静态应力会大出很多，这是桥壳破损的主要因素。通过研究桥壳的静态和动态工况，可以有助于我们完成桥壳的轻量化研究，从而降低动载荷，以提高我们驾驶汽车时的平顺性和舒适性，这也是本课题所研究的主要意义。本课题研究的意义不单单是能够解决企业在生产零部件时所发生的问题,并对其产品的设计、制造、检验和优化改造提供优质的参考和指导,然而更大的意义在于能够降低企业的生产成本,提高产品各方面的水平,以此提高企业的核心竞争力,具有较大的实际意义和经济价值。1.5课题的主要研究内容通过上面的论述可知，驱动桥桥壳的设计对于汽车性能的影响很大，所以合理地设计桥壳也是重中之重。其中应用有限元软件来分析桥壳的力学性能更是重点。本文研究的对象是钢板冲压焊接整体式桥壳，这种桥壳的特点有制造工艺简单、材料利用率高、成本低、安全可靠。本课题运用CATIA软件建立了几何模型，然后利用ANSYS有限元软件对桥壳四种典型工况和前6阶模态进行分析。本课题开展以下几个方面的研究工作：（1）计算得出四种工况下桥壳危险截面的最大应力。（2）学习和掌握CATIA软件，利用CATIA建立驱动桥壳的几何模型。（3）利用ANSYS软件进行桥壳的模态分析。（4) 利用ANSYS软件对桥壳在四种典型工况下做有限元分析，得出相对应的位移图和应力图。 (5) 根据结果，通过对比验证位移和应力的规律，得出桥壳的设计是否能保证汽车行驶安全。第二章 驱动桥壳强度校核计算2.1 简介桥壳作为汽车的传动件和承载件，所要承受的工作环境十分复杂，行驶路况也是千变万化，因此当我们需要精确的计算出汽车在不同路况时，会发现很难分析作用于桥壳的应力。所以，本课题将桥壳复杂的受力路况简要概括为四种典型的计算工况，其中包括最大铅垂力工况、最大牵引力工况、最大制动力工况和最大侧向力工况。我们通过计算在这四种典型工况下桥壳的强度，只要强度小于材料的许用强度，就可以认为该桥壳在汽车的各种行驶条件下是安全可靠的。 2.2桥壳设计要求桥壳的各项参数通过查阅资料得出，如表2-1表2-1 驱动桥法的主要参数参数数值轮距B mm2200质心高mm880主减速器传动比5.71总质量M/kg10000发动机最大转矩 593滚动半径 m0.527轴距L mm3800驱动桥桥壳应满足如下的设计要求7:1. 桥壳应具有良好的力学性能，如足够的强度和刚度，确保主减速器齿轮的啮合，并弯曲应力不会再半轴上产生。2.在保证刚度、强度和寿命的基础上，我们减桥壳的质量，这样可以减小不平路面的冲击载荷，从而改善汽车行驶时的平顺性和舒适性。3.桥壳的轮廓尺寸不能太大，这样有利于汽车拥有合理的离地距离。4.拆装部件、调整尺寸和维修汽车方便。5.要有防止泥水或灰尘进入传动部件的能力。6.结构工艺性好，制造工艺简单，材料利用率高，成本低。如今的汽车行驶路面越来越平坦，汽车也开始向高速化和轻量化发展，所以汽车的结构设计愈加合理，这样才能满足汽车高速行驶的要求。2.3 桥壳的静弯曲应力计算当满载汽车停在水平面时，桥壳就像空心梁一样，在钢板弹簧座处，桥壳将会承受垂直于地面的载荷，而地面会给左右轮胎以反力，这样桥壳就会承受来自轮胎的反力和车轮重力的差值，即，计算简图如下图，2-1图2-1桥壳静弯曲应力计算简图按照静载荷计算桥壳弯矩时,可以得出钢板弹簧座之间弯矩M等于 （2-1） 式中：汽车满载静止时对地面的载荷，98000N； 汽车轮胎的重力，约为0N； B 汽车车轮轮距，2.2m； s 两钢板弹簧座中心间的距离，1.18m。弹簧座附近通常为桥壳的危险断面。由于远小于,所以当无参数时可以忽略不计。则此处静弯曲应力： （2-2）式中: M见（3-1）危险断面处（钢板弹簧处）桥壳的垂直弯曲界面系数。见表2-1:其中D=140mm，d=110mm。 表2-1 不同方向截面系数断面形状垂直及水平弯曲截面系数 、 扭转截面系数 圆通过桥壳的结构形状和制造工艺可以确定，其在钢板弹簧处的危险截面。此处选用钢板冲压焊接整体式桥壳,在钢板弹簧座处多为圆管断面。2.4桥壳的四种经典工况计算汽车在行驶过程中所遇到的情况是千变万化的，所以在真正的行驶过程中，工况是很复杂的，所以我将复杂的情况简化为四种典型计算工况8：1.当满载汽车通过不平路面时,即车轮承受最大铅垂力工况；2.当满载汽车以最大牵引力行驶时,即车轮承受最大切向力工况；3.当满载汽车发生紧急制动时，即车轮承受最大切向力工况；4.当满载汽车发生侧滑时,即车轮承受最大侧向力工况；只要能保证在这四种典型工况下,计算得出的强度能够满足许用应力，那么就可以认为汽车是安全可靠的9。2.4.1 在不平路面冲击载荷作用工况 当高速行驶汽车在不平路面上时，桥壳不只要去承受静止状态的载荷，还要承受额外的冲击载荷。所以我们在不考虑切向力和侧向力的情况下，桥壳承受这两种载荷总的作用，其产生的弯曲应力为：（2-3）式中： 动载荷系数，对载货货车取2.5；桥壳在静载荷下产生的弯曲应力，150MPa 2.4.2 以最大牵引力行驶工况当满载汽车以最大牵引力行驶时，桥壳会承受两部分的力，即最大牵引力和垂向力，发动机也以最大转矩工作。这种情况不分析侧向力，汽车沿直线运动。如图2-2。 图2-2 汽车以最大牵引力行驶时的受力简图 假设地面对后驱动桥两个车轮的垂向反作用力相等，则 （2-4）式中：满载汽车静止于水平路面的总载荷，98000N；质心高，0.88m。作用在左、右驱动轮上的最大切向反力共为：（2-5）式中；发动机最大转矩，593 N.m； 变速器I档传动比，9；驱动桥的主减速比,5.71； 传动系的传动效率,0.9；驱动车轮的滚动半径，0.527m。 如果认为传动系的传动效率为100%，将式（2-5）代入式（2-6）中，得： （2-6）式中： 路面对一个后驱动车轮施加的垂直反作用力，N；满载汽车静止于水平地面时地面受到的载荷，98000N；汽车质心高度，0.88m; L汽车轴距，3.8m加速行驶时，汽车的质量转移系数。 由式（2-5）可知对于驱动桥 （2-7） 若式（2-7）中某些参数不全，导致无法计算值时， 值可以在下列范围内选出：对于载货驱车后驱动桥=1.11.310。 后驱动桥壳的两个钢板弹簧座之间的垂向弯矩 （2-8）式中:，B，s见式（21）下的说明。因为车轮要承受来自地面对自己的最大切向反作用力，使得桥壳也要去承受来自水平方向的弯矩，我们使用的是圆锥差速器装配的驱动桥，因为之前得出左右车轮的转矩相同，所以得出： （2-9） 式中；发动机最大转矩，593 N.m； 变速器I档传动比，9；驱动桥的主减速比,5.71； 传动系的传动效率,0.9； 如果我们选用的差速器使得左右两个车轮的转矩不等，那么我们可以选择驱动转矩大一点的那个来代替上面式子的。当然桥壳还要承受由于驱动桥传递转矩之后所产生的反力矩，那么这时可以得出在两个钢板弹簧座之间桥壳所需承受的转矩等于： （2-10）式中：发动机最大转矩，NM； 传动系的最低挡传动比； 传动系的传动效率；当桥壳的危险断面在钢板弹簧座附近是圆管截面时，可以得出该断面处的合成弯矩为 （2-11）该危险断面处的合成应力为 （2-12） 式中：水平弯曲截面系数。 ，分别为两个弹簧座之间的垂向弯矩和水平弯矩；下图为汽车以最大牵引力行驶时，后驱动桥桥壳的受力分析简图。如图2-3图2-3驱动桥桥壳的受力分析简图2.4.3 汽车紧急制动工况 此种工况下，我们不去考虑侧向力，可以得出汽车在紧急制动时的受力简图，如图2-4所示：图2-4汽车在紧急制动时的受力简图假设路面对驱动桥两车轮的垂直作用力相等，则：（2-13）式中： Ga汽车满载静止于水平地面时给地面的总荷载，98000N； 汽车质心高度，0.88m； G 重力加速度，m/； a 制动加速度，m/。因，故制动加速度a为: 代入式（2-9）得： （2-14）式中： 地面对一个后驱动轮的垂直反作用力，N； 轮胎与路面之间的附着系数，在计算时取0.8； 汽车紧急制动时的质量转移系数，计算时取0.8。如果在计算时 ，、等参数没有规定，的值可在以下范围内取：载货汽车后驱动桥取m2=0.750.9511。所以此时取0.8.图2-5是汽车发生紧急制动时桥壳的受力分析图，这时作用在两个车轮上的力不仅有垂向反力/2,还有切向反力，即地面对驱动车轮的制动力/2 。通过这些条件，可以计算出汽车在紧急制动时，两个弹簧座之间的垂向弯矩及水平方向的弯矩分别为 （2-15） （2-16）式中：汽车发生制动时的质量转移系数，计算后驱动桥壳时取 图2-5紧急制动时桥壳受力图桥壳在两个钢板弹簧座外侧处，会承受来自制动力带来的转矩T，可以求出此时的转矩为： （2-17） 式中：驱动车轮的滚动半径，0.527m; 轮胎与路面之间的附着系数，在计算时取=0.8当桥壳的危险截面在钢板弹簧座附近为圆管截面的时候，在该断面处的合成弯矩为 （2-18）该危险断面处的合成应力为 （2-19） 2.4.4 汽车受最大侧向力工况 当满载的汽车进行很快速度的转弯时，会在汽车质心处出现一个很大的离心力，汽车也会由于某些原因而承受侧向力，当汽车承受的侧向力达到最大值时，汽车将会处于发生侧滑的临界状态，如果侧向力大于侧向附着力，那么汽车就会发生侧滑。所以发生侧滑的条件为（2-20） 式中：驱动桥所受的侧向力，N； 、地面给两个轮胎的侧向反作用力，N； 满载汽车静止路面时对地面的载荷，98000N 轮胎与地面之间的侧向附着系数，在计算时取=1 因为在汽车发生侧滑时，我们可以在计算过程中，把地面对车轮的切向反作用力认为是零。下图是汽车发生向右侧滑的受力分析简图，可以根据该图，计算出驱动桥发生侧滑时两个轮胎的支承反力为 （2-21） （2-22）式中：两个车轮的支承反力，N；汽车满载时的质心高度，0.88m; 驱动车轮的轮距,2.2m。当/B时，=0, =，在此情况下，可以发现驱动桥的全部载荷都会偏向一端的车轮，然而这种极端的情况会对驱动桥的稳定性产生很大的影响，所以在设计时，我们要尽量去降低质心高。图2-6 汽车向右侧滑时的受力简图如果我们的驱动桥采用全浮式半轴，可以看出在桥壳两端的半轴套管处，分别装着一对轮毂轴承。这些轴承我们一般会选用圆锥滚子式。我们将这些轴承放置在轮胎的垂直反作用力两侧，正常都是会离得和轮毂的内轴承近一点。发生侧滑时，内外轮毂轴承对于轮毂的径向支承力，可以通过单个车轮的受力平衡来得出。如图2-7。图2-7侧滑时轮毂受力图从图的右侧（与侧滑方向相同）的车轮来说，内、外轴承的径向支承力为（2-23）（2-24）从图的左侧（与侧滑方向相反）的车轮来说，内、外轴承的径向支承力为（2-25） （2-26） 上式中：车轮滚动半径，0.527m;a,b, ,如图2-7，其中路面对两个轮胎的侧向反作用力为、。取a+b=200mm，a-b=100mm可由下式获得： （2-27） （2-28）将上式计算求得的、值代入式，可以求出轮毂轴承对半轴套管的径向支承反力。然后我们可以根据计算得到的力和桥壳在弹簧座上的垂向力，从而画出桥壳在汽车发生侧滑时的垂直受力弯矩图，如图2-8所示。图2-8 汽车向右侧滑时桥壳所受的垂向力及垂向弯矩综上所述，当时，由上式可知，可以理解为与侧滑方向相反一侧的支承反力等于零，这时的弯矩图可以从图2-7(b)看出。如前所述，汽车发生侧滑时所引起的轮毂轴承的径向力、与轮毂内、外轴承支承中心间的距离（a + b）有关，而且如果中心距越大，那么因为侧滑所产生的轴承径向力越小。除此之外，如果值足够的大，也会导致轮胎的支承刚度变大。不然的话，一旦两轴承相碰时，那么车轮将无法正常运转，支承刚度会变低，这样会出现接近于3/4浮式半轴时一样的情况。如果的值过大，同样也会导致轮毂变宽以及质量变大，从而导致布置时会十分困难。我们在设计汽车的时候，通常取，地面对轮胎的垂向支承作用力线大多在内、外轴承之间，而且一般都会靠近内轴承，因此我们经常把内轴承选择的比外轴承要更大一点，当然也有将内、外轴承选择为相同的情况。轮毂轴承受到最大的力一般会发生在侧滑时，因此轮轴也同样是在满载汽车发生侧滑时，会承受最大弯矩和应力12。由图2-8可知，轮轴即半轴套管的危险断面位于轮毂内轴承的内端A-A处(图2-7)，该处的垂向弯矩为（2-29） 式中：轮毂内轴承支承中心至该轴承内端支承面间的距离。如果忽略不计，并将上式经整理后得 （2-30）式中:、B见上文式下说明； 、a见式下说明。弯曲应力为（2-31） 式中：D、d计算断面的内、外径。D=140mm，d=110mm由式2-30可知剪切应力为 （2-32）式中：D、d计算断面的内、外径。D=140mm，d=110mm由2-24可知 合成应力为（2-33） 查询手册可以知道一般桥壳的许用弯曲应力为300500Mpa，许用扭转应力为150400Mpa，本课题选用的是钢板冲压焊接整体式桥壳，所以取许用弯曲应力为500Mpa，许用扭转应力为400Mpa。关于桥壳材料，本课题采用钢板冲压焊接整体式桥壳，所以桥壳部分材料取16Mn，半轴套管取40Cr13。2.3本章小结由于汽车的行驶情况十分复杂，所以不同路况下的受力情况也是千变万化，为了方便分析，本章选取了四种典型工况，并分析了汽车在这四种工况下的理论应力，只要计算出的应力大于之后ANSYS分析的实验应力，那么该桥壳就是满足条件的，汽车性能安全可靠。第3章 驱动桥壳几何模型的建立3.1 catia软件介绍CATIA是由法国达索飞机公司独立开发的CAD/CAM软件，CATIA的曲面设计功能相较于其他绘图软件更为完善。CATIA软件最先应用于航天业，之后开始广泛应用于医疗、汽车制造、电器生产、消费品、化工等行业。但是该软件是近几年出现的新型软件，系统庞大，不像UG、Pro/e一样容易掌握，所以要熟练掌握该软件，不仅需要在学习和应用中慢慢体会，也要和别人多多交流14。3.2 几何建模的技巧我们在选取总坐标系时，应尽量将其与桥壳的结构设计坐标系取得相同，有利于我们之后的建模。我们一般先做出主要特征,然后做出局部特征。首先我们要先分析实体模型,了解桥壳的基本构造，然后开始绘制平面草图。实体特征大都是由草图通过各种命令,如拉伸、旋转、切除等形成的。 几何建模时,不要使用太多的特征平面来建模。先生成简单、平整的特征面，比如圆面、矩形面，再生成较为复杂的曲面，如圆面和矩形面之间的过渡曲面。观察模型特征的对称性,使用平移、旋转、镜像几何形状等方法进行加工,这样可以大大提高我们建模的效率。3.3桥壳模型的简化完成几何建模之后，我们才可以去进行有限元分析，因此在建立桥壳的三维模型时，我们要好好思考有限元建模的特点。我们做有限元模型时，要注意的点有，有限元模型不单单要能够准确的的反应桥壳的力学性能，还要采用简单的单元形态，在可以尽量减小计算难度的前提下,同时也要保证模型具有较高的精度。为了满足这些要求,我们在建立几何模型前,就要考虑如何简化实际模型。我们根据桥壳的结构特点，本课题在建立桥壳的三维几何模型时，对结构做出了以下简化：（1）省略主减速器壳、夹具、千斤顶、前后端盖等一些不属于桥壳承力的部件。（2）省略部分不影响分析的小孔。（3）将桥壳主体和半轴套管想象为一个整体。（4）将桥壳主体中部的一些不均匀厚度结构视为等厚的,以便于简化建模和网格划分。（5）把桥壳中不属于危险部分的圆角、倒角简化成直角。（6）忽略焊缝对结构的影响。3.4 CATIA模型的建立简化桥壳主要由桥壳主体和半轴套管组成。我们在CATIA中进行三维建模,然后将各零部件进行装配即可。（3-1）桥壳实物模型在CATIA中建立如图 3-2的模型（3-2）桥壳装配图第四章 驱动桥壳模态分析4.1有限元分析理论ANSYS公司是由JohnSwanson博士在1970年创建的,其总部在美国的宾夕法尼亚州,ANSYS软件是该公司重要产品,它是集结构、磁场、声场分析于一体的通用分析软件,可广泛地应用于石油化工、航空航天、机械制造、能源、交通运输、电子、国防军工、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、等一般工业及科学研究。随着计算机技术的迅速发展，有限元法也如同坐上了一辆顺风车一样，与计算机技术一同蓬勃发展。有限元放可以分析十分复杂的情况，其计算方法十分规范,通过计算机能够很方便地模拟汽车各零部件的受力情况,可以进行力学性能的有限元分析,也可以通过模态分析得出我们所需要的模态与振型,很真实地描绘出模型的动态过程。一般来说，有限元计算的结果都会比其他计算方法精准，这样也能与实际尺寸相差无几，可以以此为依据进行尺寸的更改。同时,可以利用有限元分析的结果进行多种方案的对比,如此可以更好的取优化我们设计的方案。有限元法能帮助我们去解决复杂的问题，如对于复杂的零件结构，不能惊喜精确的计算。有限元法改变了我们以前凭借经验来进行设计的方法，所以能局部得到广泛应用。如今，我们将有限元法投入到汽车的设计中来，不仅可以提高汽车的质量，也能缩短新车型的开发周期，能大大减少企业的成本15。4.2模型建立与网格划分对驱动桥壳就行有限元建模，并对模型进行网格划分，由桥壳主题控制网格尺寸20，其余部分控制尺寸10，由workbench自动生成网格，共划分43119个网格单元，77918个单元节点，如图4-1、4-2图（4-1）导入模型图（4-2）划分网格4.3定义桥壳单元材料属性在完成网格划分后,进行桥壳单元材料的物理属性的添加,由于桥壳本体和半轴套管是由不同的材料组成的,所以我会用两种不同的材料定义,详见表4-1 表（4-1）桥壳材料单元的各属性名称材料弹性模量（Pa）泊松比密度（kg/）许用应力（Mpa）桥壳本体16Mn0.3340半轴套管40Cr0.3650选取对应的材料，为桥壳（16Mn）和半轴套管(40Cr)附上需要的属性。4.4模态分析本章通过对桥壳的模态分析得到其在不加任何约束载荷的情况下，模型的固有频率和模态振型。因为桥壳的自由度我们没有进行约束，模型处于自由悬空状态,并且桥壳模型为刚体，所以前6阶模态的频率很小或者几乎为零。因此我们在这忽略前6阶刚体模态,第7阶模态频率对应实际第1阶的模态频率,根据这个规律,可以计算得到的前6阶模态下的固有频率值见表4-2表（4-2） 前六阶模态下的固有频率计算结果振型次序123456频率（Hz）128.54283.51352.87500.73510.91963.83对应于前6阶模态固有频率的振型如图4-3至图4-8所示,由于结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合,其中低阶的振型对结构的动力影响比高阶振型大,因此低阶振型决定了结构的动态特性16。 图4-3 第1阶模态振型 图4-4 第2阶模态振型 图4-5 第3阶模态振型 图4-6 第4阶模态振型 图4-7 第5阶模态振型 图4-8 第6阶模态振型 4.5本章小结这部分的有限元分析主要研究了桥壳的有限元模型在不加任何约束和载荷的情况下，其前6阶的固有频率，还得到了与前6阶模态对应的振型图，初步对桥壳的振动特性有了一定的了解，从中得出了规律。我们在驾驶汽车时，桥壳会发生振动，而这振动主要是由于轮胎和地面之间存在相互作用力还加上汽车自身也会发生振动，所以桥壳振动的主要原因就是路面不平度。如果我们在比较平坦的路面上行驶，只会有对称垂直载荷作用在汽车上，这种载荷会导致桥壳发生同向弯曲模态。但是在不平的路面上开车时，我们的汽车会受到非对称的载荷，这会导致桥壳发生异向弯曲模态。查阅资料可以得知汽车的振动系统承受路面作用的激励大多属于050Hz的垂直振动，而本课题所得出的桥壳前6阶模态的固有频率都不在050Hz之间，所以不会发生因为路面激励而引起的桥壳共振，我们设计的桥壳就比较合理，是安全可靠的17。第五章桥壳各工况的有限元分析5.1最大垂直力工况边界条件：左右两边半轴套管支撑与桥壳接触处约束Y、Z轴的转动自由度和沿X、Y、Z轴的平动自由度，两侧板簧面上施加垂直向下的荷载在此边界条件下得到有限元分析结果如下图：图5-1最大垂直力工况荷载变形云图满载轴荷下驱动桥壳的最大变形发在桥壳的中间部分为1.2873 mm，满载轴荷下每米轮距的最大变形为0.87mm。由于满载轴荷时每米轮距最大变形不超过1.5 mm，在最大铅垂力工况下，该驱动桥壳的钢度是合格的。（注：该驱动桥桥壳实际长度为1470mm）图5-2最大垂直力工况荷载应力云图 满载轴荷下驱动桥壳的最大应力发在两侧半轴套筒处，为250.33MPa，计算得出的理论应力为375MPa，故在最大铅垂力工况下，桥壳的强度是符合要求。5.2最大牵引力工况边界条件：一边在半轴套管与桥壳接触处约束Y轴，另一边在半轴套管支承与桥壳接触处约束X、Z轴，两侧的板簧位置表面施加向下垂向载荷和向后的纵向载荷，同时施加扭矩。在此边界与载荷条件下，得到有限元分析结果如下图:图5-3最大牵引变形云图最大牵引力工况下驱动桥壳的最大变形发在桥壳中段为0.92888mm，故满载轴荷下每米轮距的最大变形为0.67mm，由于满载轴荷时每米轮距最大变形不超过1.5mm，该驱动桥桥壳的钢度是合格的。图5-4最大牵引应力云图最大牵引力工况下最大应力发在两侧半轴套筒处，为140.27MPa，桥壳材料为16Mn，计算得出的理论应力为200.8MPa，故在最大铅垂力工况下，该驱动桥桥壳的强度是符合要求的。5.3最大制动力工况边界条件：一边在半轴套管支承与桥壳接触处约束Y轴，另一边在半轴套管支承与桥壳接触处约束X、Z轴，两侧的板簧位置上表面施加向下垂向载荷和向前的纵向载荷，同时施加扭矩。 在此边界与载荷条件下，得到有限元分析结果如下图:图5-5最大制动位移图最大牵引力工况下驱动桥壳的最大变形发在桥壳中段为1.81 mm，故满载轴荷下每米轮距的最大变形为1.23mm，由于满载轴荷时每米轮距最大变形不超过1.5mm，该驱动桥桥壳的钢度是合格的。图5-6最大制动应力最大牵引力工况下最大应力发在两侧半轴套筒处，为163.35MPa，桥壳材料为16Mn，计算得出的理论应力为182MP，故在最大铅垂力工况下，该驱动桥桥壳的强度是符合要求的。5.4最大侧向力工况左侧桥壳与弹簧座接触面表约束Y、Z轴。右侧桥壳与弹簧座接触面表约束Z轴。两侧弹簧座受到向下的载荷和向右侧的载荷。在此边界与载荷条件下，得到有限元分析结果如下图:图5-7最大侧向力位移云图最大侧向力工况下驱动桥壳的最大变形发在桥壳中段为0.78181mm，故满载轴荷下每米轮距的最大变形为0.12mm，由于满载轴荷时每米轮距最大变形不超过1.5mm，该驱动桥桥壳的钢度是合格的。图5-8最大侧向力应力云图最大侧向力工况下最大应力发在两侧半轴套筒处，为204.31MPa，桥壳材料为16Mn，计算得出的理论应力为215MP，故在最大铅垂力工况下，该驱动桥桥壳的强度是符合要求的。5.5结果分析本章主要分析了桥壳有限元模型在四种典型工况下的位移和应力，由仿真结果可知，桥壳两端半轴套管处所受的应力最大，根据之前的计算得出该模型的仿真应力小于理论计算的应力，并且查询机械设计手册，得到桥壳允许每米轮距最大变形量为1.5mm，据上述应力图与位移图可知未超过标准，因此符合要求，该桥壳是安全可靠的18。第六章总结本文主要对某中型货车非断开式钢板冲压焊接驱动桥桥壳的静、动态力学性能进行分析和研究。在利用CATIA软件建立三维实体模型的基础上,使用有限元软件对其进行了强度和刚度计算以及自由条件下的模态分析,获得桥壳的静、动态特性参数。根据计算结果对桥壳进行结构分析,为桥壳设计提供一些的建议和改进措施。全文主要工作如下：1. 利用CATIA画出该中型货车的驱动桥桥壳的三维模型，了解了CATIA的建模思路。2. 根据静力学对汽车的最大铅垂力工况、最大牵引力工况、最大制动力工况和最大侧向力工况这四种典型工况的强度计算。3.对桥壳进行自由工况的模态分析,得到结构前6阶固有频率和相应的振型模态,发现桥壳的振动规律。4.利用ANSYS对三维模型进行有限元分析，对汽车参数进行验证，保证了汽车的安全性。参考文献1 赵栋杰,朱训栋.基于CAE的桥壳结构分析与改进J.煤矿机械，2010,31(05):161-163.2 杨锁望等.矿用自卸车驱动桥壳结构分析与改进设计J.专用汽车，2005,1(01):21-23.3陈效华,刘心文.基于有限元方法的微型汽车驱动桥结构分析J.中国制造业信息化,2003,32（04）:65-67.4杨波,罗金桥.基于汽车驱动桥壳的有限元分析J.机械研究与应用，2005,6:90-915刘万锋,张维锋.汽车驱动桥壳动态应变场的模态分析J.西安公路交通大学报,1998,18（01）：70-74. 6Li-Ping Lei, Jeong Kim, Beom-Soo Kang.Analysis and design of hydroforming process for automobile rear axle housing by FEMJ.International Journal of Machine Tool & Manufacture.2000,40:1691-1708.7羊玢，孙庆鸿，王睿.基于参数化的车辆驱动桥壳动态优化设计J.机械设计与制造，2008 .8彭为，靳晓雄，左曙光.基于有限元分析的车桥后桥疲劳寿命预测J.汽车工程，2004，26(04)：507-509.9张义民,贺向东,刘巧伶.后桥壳的可靠性优化设计J.车辆与动力技术,2002(01):42-47.10孙云云,尹明德. 基于ANSYS的某客车车身有限元模型的建立J.机械工程与自动化.2010.3.11陈家瑞.汽车构造M.吉林：人民交通出版社，2006.1112郑建新,赵六奇.SOMA驱动桥桥壳有限元分析及强度校核方法J.工程机械,1995(10):17-18.13李玉河,白新理.汽车后桥壳弹塑性有限元分析J.机械设计与制造,2004(03):60-61.14周仙娥,鲁墨武,赵海星.基于CAA的CATIA二次开发的研究J.科技信息,2008(36):73-74.15杨波,罗金桥.基于汽车驱动桥壳的有限元分析J.机械研究与应用，2005.16王革新.某车型汽车驱动桥壳的力学分析D.东北大学,车辆工程，200617白化同，郭继忠.模态分析理论与实验M.北京：北京工业大学出版社，2001.18郑建新，刘心文.驱动桥桥壳有限元分析及强度校核方法M.天津：工程机械出版社，1995.致谢32