驱动桥壳有限元结构分析.doc

黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章 绪 论驱动桥壳是汽车的主要零件之一，作为主减速器、差速器和半轴的装配基体，它是汽车的主要承载件和传力件，支撑着汽车的荷重，并将载荷传给车轮。在实际行使中，作用在驱动车轮上的牵引力、制动力、横向力，也是经过桥壳传到悬挂及车架或者车厢上的。同时，驱动桥壳的使用寿命直接影响汽车的有效使用寿命。因此，合理地设计驱动桥壳，使其具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，减少桥壳的质量，有利于降低动载荷，提高汽车行驶平顺性和舒适性。1.1国内外研究现状过去工程师在对简单机械结构进行分析时，都要进行一系列的简化与假设，再采用材料力学、弹性力学或塑性力学的理论进行分析。随着工业技术的迅速发展，有越来越多的复杂结构，包括复杂的几何形状、复杂的受力状态等问题需要去分析研究，而在工程实际中，这些复杂的问题往往不能求出它们的解析解。 1要解决这些问题通常有两种途径：一是试验法，通过提出一定假设，回避一些难点，对复杂问题进行简化，使之成为能够处理的问题2。然而，由于太多的简化和假设，通常会导致极不准确甚至错误的解答。因此，另一种行之有效的途径就是尽可能保留问题的实际状况，寻求近似的数值解。而在众多的数值方法中，有限元分析法因其突出的优点而被广泛地应用。经过半个多世纪的实践，有限元法已从弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题；从静力问题扩展到动力问题、稳定问题和波动问题；从线性问题扩展到非线性问题；从固体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学等其他连续介质领域；从单一物理场计算扩展到多物理场的耦合计算4。它经历了从低级到高级、从简单到复杂的发展过程，目前已成为工程计算最有效的方法之一。2001年，重庆大学的褚志刚等学者对某后桥壳进行了静强度分析计算，结果表明该后桥壳静态分析的应力分布合理，在实际破坏区域内的静态应力很小，但分析结果与该车在实际道路试验中的破坏不相吻合。通过模态分析发现，其前九阶频率与路面谱频率范围重合，模态振型尤以后背盖与上下壳体的焊接处、半轴套管内端直径渐变处、上壳体倒圆处的变形较大；当桥壳和弹簧系统在垂直激励作用下时，即通过动态响应分析法，找出桥壳上的动应力集中区，确认破坏的确切位置，与实际情况相吻合。5他们通过合理的静力分析和动力分析，寻求驱动桥桥壳结构分析的合理思路和方法，为改进驱动桥的结构设计找到了突破口7。2004年东南大学的郑燕萍等对某轻型载货汽车的驱动桥桥壳的三种典型工况进行了系统的有限元分析，得到了理想的应力与变形分布。他们还将有限元分析的结果与用传统方法计算的结果相比较，两者除了在满载通过不平路面的工况下稍有偏差外，其他两种工况都吻合得非常好8进行了驱动桥桥壳的动力学分析，通过驱动桥桥壳有限元模型在自由状态下的模态分析，得到了驱动桥桥壳低阶模态固有频率和振型，且计算结果与试验值吻合较好 10过对有限元模型的瞬态分析，得到了桥壳上所有点在瞬态冲击过程中任意时刻的应力值和变形大小，找出车桥在任意时刻的应力分布和变形规律。他们还对驱动桥桥壳台架试验进行了有限元模拟，通过驱动桥桥壳垂直弯曲刚性试验的模拟，得到桥壳各节点的位移量，通过对驱动桥桥壳垂直弯曲静强度试验的模拟，验证了该驱动桥的强度满足国家标准的要求112003年，山东大学的徐扬等学者根据半轴结构的轴对称性，建立了半轴法兰盘与杆部连接结构的二维轴对称有限元模型，通过改变其结构参数进行相应的分析，并将分析结果绘制成图表，得到了半轴结构参数对过渡处应力集中系数的影响规律。1.2立题意义及研究内容1.2.1立题意义当今汽车制造业面临的主要挑战是买方市场的形成和产品更新换代速度的日益加快。汽车产品开发的一个主要手段就是变型设计，即以现有产品为基础，保持基本结构和功能不变，对其局部结构、尺寸或配置进行一定范围内的变动和调整，以此快速形成适应市场需求的新产品。驱动桥是汽车中的重要部件，它承受着来自路面和悬架之间的一切力和力矩，是汽车中工作条件最恶劣的总成之一，如果设计不当会造成严重的后果。为保证驱动桥壳变型设计的可行性和工作的可靠性，在变型设计过程中必须对其应力分布、变形、关键部位的动应力等进行计算和校核。变型设计是一个反复修改和调整的过程，每次修改设计都需要重新建立分析模型，而这是一个费时费力的工作。如果能够在对汽车驱动桥模型深人研究的基础上，建立汽车驱动桥有限元模型，并利用主模型技术建立几何模型与有限元分析模型的关联性，使有限元模型能够自动更新，就可以避免重复建模带来的麻烦。1.2.2本文的主要研究内容(1)利用UG建立驱动桥壳的几何模型，为建立驱动桥壳的有限元模型奠定基础。(2)分析使用ANSYS对几何模型进行检查与修改，在对驱动桥壳几何模型修改的基础上，建立驱动桥壳的有限元模型。(3)通过ANSYS对驱动桥壳进行静态分析，分析所得到的结果，通过对比验证建立的有限元模型的合理性，得出具有工程参考价值的结论。 第2章 有限元理论基础2. 1有限元分析的理论基础2.1.1有限元分析法概述有限元法(Finite Element Method-FEM)是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，它是工程科学的重要工具。在应用领域，有限元法理论已经从结构理论逐步改进和推广到连续力学的场问题中，比如热、流体、场等领域中，即使在其起源的结构力学理论的本身范围内，有限元方法也由静力分析到动力分析问题、稳定问题和波动问题，并且由线弹性发展到非线弹性和塑性领域。从单元的类型而言，有限元法已经从一维的杆单元、二维的平面单元发展到三维的空间单元、板壳单元、管单元等;从常应变单元发展到高次单元。同时计算精度得到了较大提高，并可适用于各种复杂的几何形状和边界条件。在有限元法程序编制方面，由于数值方法和计算机软硬件科学的发展，有关有限元分析的计算机程序得到了极大的飞速发展。鉴于有限元法的通用性，有限元分析已经成为解决大型通用问题的强有力和灵活的通用工具。11有限元法的优点是，可以对任何复杂结构进行分析;当有限元单元足够多和足够小，其求解的结果可以达到令人十分满意的程度;有限元法在求解时更容易引进边界条件，施加载荷，定义材料类型;可用于求解非均质连续介质问题;由于有限元法的求解采用矩阵的表达形式，使有限元法更利于编程和应用计算机运算;计算机运算具有前后置处理功能，可实现网格的自动划分，使分析更加简化和便捷;求解的结果可以用数据、图形图像和表格等多种方式输出。但是有限元法也由一定的局限性，尽管分析模型结构的网格划分与准备输入数据的工作在某种程度上可以自动化，但是还不能完全靠计算机来是实现，因为在离散化过程中，还必须根据不同的精度要求来决策。而且在数据的输入过程中，如果有差错未被发现，必将会导致错误的计算结果，而且较难被发现。有时数据输出的整理与判断也是很费时间和精力的。2.1.2有限元分析软件由于有限元法的计算量非常大，因此许多国家的大学和科研机构开发了大量的有限元分析软件。比较有名的有:美国ANSYS公司的大型分析软件ANSYS;美国麻省理工学院机械工程系研发的自动动力增量非线性有限元分析程序ADINA;德国斯图加特大学宇航结构静动力学研究所开发的自动动力分析系统ASKA;美国贝克莱加利福尼亚大学开发的结构分析程序SAP;美国国家航空航天局NASA研制开发的NASTEAN，以及隶属于美国国家航空航天局的MSC公司的一系列有限元分析软件:PATRAN,Marc,Fatigue,Suer Forge等。2.1.3有限元法简介有限元法简介：有限元法就是把一个弹性连续体划分为有限大小的、彼此只在有限个点连接的有限单元组合体来研究的方法，它是随着计算机技术的发展而出现的一种根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法。有限元法的基本思想可归纳如下：首先将表示结构的连续体离散为若干个子域(单元)，单元之间通过其边界上的节点相连接成组合体，然后用每个单元内所假设的近似函数分片地表示全求解域内待求的未知场变量，每个单元内的近似函数用未知场变量函数在单元各个节点上的数值和与其对应的插值函数表示。由于在连接相邻单元的节点上，场变量函数具有相同的数值，因而将它们用作数值求解的基本未知量，并且将求解原函数的无穷多自由度问题转化为求解场变量函数节点值的有限自由度问题，最后利用和原问题数学模型等效的变分原理或加权余量法，建立场变量的代数方程组或常微分方程组，再应用数值方法求解问题的精确解。有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法，是工程问题和数学方法相结合的产物，可以求解许多过去解析法无法求解的问题。对于边界条件和结构形状都很不规则的复杂机械结构，有限元法是一种非常有效的现代分析方法，这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。有限元方法形态丰富，理论基础完善，国外研究机构己经开发出一批通用有限元分析软件，包括ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等，这些软件可以解决工程领域众多的大型科学和计算难题。有限元计算结果己成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。有限元分析过程(1)几何模型的创建:利用CAD软件进行实体造型如PRO/Engineer、UG, Solid Works等;也可利用相关的CAE软件进行。(2)产生FEA模型:网格划分过程包括4个步骤，首先定义单元属性;其次设置网格生成选项;接着在网格划分前保存数据库;最后进行网格生成。网格分的越细，计算结果越精确，运行时间越长。网格户划分后的模型即是FEA模型;(3)设定材料、载荷、约束: (a)材料的设定即定义材料的特性，如弹性模量、柏松比等参数; (b)载荷的设定包括加载方式和载荷类型(约束载荷、面载荷等)确定; (c)任何实际的结构都要一定的约束条件来保持其稳定性;(4)求解分析:整个模型定义完成之后，就进行求解分析。进行分析以前的步骤称为前置处理，包括前面的三个步骤。分析以后的步骤就是后置处理;(5)检查分析处理(后置处理):求解分析完成后，就是查看分析结果。可以通过图标、列表以及文本等方式输出并储存分析结果;网络自动生成或人工生成显示、修改、细化输入材料数给定载荷零件三维建模有限元分析显示、输出满意结束来自CAD修改有限元分析后置处理是否前置处理 图2.1有限元法工程分析的一般流程2.2汽车设计中应用的有限元法2.2.1有限元法在汽车设计中应用的意义随着计算机技术的发展而发展起来的有限元法，是一种分析计算复杂结构极为有效的数值计算方法。它先将连续的分析对象划分为由有限个单元组成的离散组合体，运用力学知识分析每个单元的力学特性，再组集各个单元特性，形成一个整体结构的控制方程组，通过计算，得到整体结构的位移场和应力场等结果。有限元法的整个计算过程十分规范，主要步骤都可以通过计算机来完成，是一种十分有效的分析方法。有限元法能够很好地模拟零部件的实际形状、结构、受力和约束，因此，其计算结果更精确，也更接近实际，可以作为设计、改进零部件的依据。同时，可以利用有限元分析的结果进行多方案的比较，有利于设计方案的优化和产品的改进。有限元法解决了过去对复杂结构作精确计算的困难，改变了传统的经验设计方法，因而逐步得到了应用。把有限元法运用在汽车设计中，对企业提高产品质量、缩短开发周期、降低成本具有积极的作用。根据德国汽车工业所做的研究，假设一个汽车设计存在一个严重的缺陷，为改正这个设计缺陷，可以用下面的结果来说明2:(1)如果这个缺陷在概念设计阶段被发现，则改正这个缺陷的费用是1个单位;(2)如果这个缺陷在详细设计阶段被发现，则改正这个缺陷的费用将是10个单位;(3)如果是在建造模型样机的时候出现了问题，则改正这个缺陷的费用将是100个单位;(4)如果缺陷是在生产过程中被发现，则改正这个缺陷的费用将提高到1000个单位。 以上结果表明，在产品设计的早中期阶段发现设计缺陷，进行修改的风险最小，引起的损失也最低。通过详细的有限元分析，可以仿真与校验产品在使用中的情况，以求把问题尽早体现出来，避免在制造及使用中发现问题而引起大返工，确保产品的性能、质量、可靠性、耐久性和维修性。这样，可以在较短的时间内，以较少的投资获得高质量的产品。2.2.2桥壳设计中应用的有限元法虽然有限元法在驱动桥壳设计中得到的应用，但是当前使用有限元法对驱动桥壳进行分析还存在着一些问题。首先，是驱动桥壳几何模型简化与建模的问题。如何对驱动桥壳进行几何简化，去除对分析结果影响较小的部分，以及如何快速与高效地建立起驱动桥壳几何模型，是进行驱动桥壳有限元分析的第一步，也是最关键的一步，直接影响其后的有限元模型的建立以及求解过程。第二，是驱动桥壳有限元模型的建模问题。建立驱动桥壳有限元模型，涉及到两个重要的问题，一个问题是如何选择合适的单元，一个问题是如何在几何模型基础上，快速与高效地生成几何协调的有限元网格。第三，在驱动桥壳静力分析时，如何确定分析的工况、外载荷施加的大小和作用方式以及桥壳约束条件的确定，需要深入探讨。该微型车驱动桥的桥壳材料为20钢半轴材料为40Cr,壁厚4mm材料密度弹性模量E泊松比屈服极限强度极限20钢213GPa0.282245MPa410 MPa40Cr211 GPa 0.277785 MPa981 MPa20CrMnTi212 GPa0.293835 MPa1080 MPa第3章 驱动桥壳模型的建立3.1 UG简介UG在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。多年来，UGS一直在支持美国通用汽车公司实施目前全球最大的虚拟产品开发项目，同时Unigraphics也是日本著名汽车零部件制造商DENSO公司的计算机应用标准，并在全球汽车行业得到了很大的应用，如Navistar、底特律柴油机厂、Winnebago和Robert Bosch AG 等。另外，UGS公司在航空领域也有很好的的表现：在美国的航空业，安装了超过10,000套UG软件；在俄罗斯航空业，UG软件具有90%以上的市场；在北美汽轮机市场，UG软件占80%。UGS在喷气发动机行业也占有领先地位，拥有如Pratt & Whitney和GE 喷气发动机公司这样的知名客户。航空业的其它客户还有：B/E航空公司、波音公司、 以色列飞机公司、英国航空公司、Northrop Grumman、伊尔飞机和Antonov。UG具有丰富的曲面建模工具。包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。3.1.1 UG的基本功能UG能够完成特征建模、参数化设计、零件实体造型及装配造型、完整工程图产生等工作。通过标准数据交换格式，UG可以输出三维或二维图形用于其它应用软件。使用UG配置的开发模块或利用C语言，用户也可以扩展与增强UG的功能。UG的基本功能是:(1)特征建模在UG中，特征是组成模型的基本单位，如:凸台、槽、倒角、腔、壳等特征。模型创建过程就是按照一定顺序以“搭积木”的方式添加各类特征的过程，通过构建不同的特征建立几何模型。(2)参数化设计 参数化设计是指设计者只需抓住图形的某一个典型特点绘出图形的大致形状，通过向图形添加适当的约束条件规范其形状，最后修改图形的尺寸数值，经过系统再生即可获得需要的图形。 (3)支持大型、复杂组合件的设计 UG支持大型、复杂组合件的构造和管理，可以利用一些直观的命令，如“啮合”、“插入”、“对齐”等，将基本零件装配起来，形成组合件。 (4)整个设计环节的数据完全相关 在整个设计过程，UG各个模块共享模型的数据库文件，在产品开发过程中某一处数据修改了，整个设计中的所有相关数据也随之自动修改。3.1.2 UG特点: 1、建模的灵活性 复合建模：无需草图,需要时可进行全参数设计,无需定义和参数化新曲线可直接利用实体边缘。 几何特征 ：具有凸垫、键槽、凸台、斜角、挖壳等特征、用户自定义特征、引用模式 。 光顺倒圆: 业界最好的倒圆技术，可自适应于切口、陡峭边缘及两非邻接面等几何构形，变半径倒圆的最小半径值可退化至极限零。2、协同化装配建模 可提供自顶向下自底向上两种产品结构定义方式并可在上下文中设计/编辑 ，高级的装配导航工具,可图示装配树结构,可方便快速的确定部件位置,对装配件的简化表达，隐藏或关掉特定组件。局部着色,强大的零件间的相关性,配对条件,零件间的表达式（关系） ，协同化团队工作,可方便的替换产品中任一零部件，刷新部件以取得最新的工作版本，团队成员可并行设计产品中各子装配或零件.3、直观的二维绘图 对制图员来讲,简单并富于逻辑性,剖视图自动相关于模型和剖切线位置,正交视图的计算和定位可简便的由一次鼠标操作完成,自动隐藏线消除，自动尺寸排列不需要了解设计意图,自动工程图草图尺寸标注.4、被业界证实的数控加工2-5轴铣 ,车加工,线切割,钣金件制造,刀轨仿真和验证,刀具库/标准工艺数据库功能 。5、领先的钣金件制造 可在成型或展开的情况下设计或修改产品结构,折弯工序可仿真工艺成型过程,钣料展开几何自动与产品设计相关,可在一幅工程图中直接展示产品设计和钣料展开几何 。6、集成的数字分析 机构运动学分析,硬干涉检查和软干涉检查,运动仿真和分析,动画过程中的动态干涉检查。7、广泛的用户开发工具 用户命令宏,高级编程语言,可自定义裁剪的用户界面 8、内嵌的工程电子表格 可与其他表格软件交换数据,可简便定义零件系列,可方便修改表达式,可生成扇形图、直方图和曲线图等.9、照片真实效果渲染 利用基于数字的设计审视,加快产品上市时间,快速成型.10、可分阶段实施的数据管理 业界最紧密的CAD/CAM/CAE与PDM集成,可管理CAD数据以及整个产品开发周期中所有相关数据 。3.2 UG几何建模的注意事项为了达到事半功倍的目的，使用UG建立几何模型，特别应该注意建模步骤与技巧。(1)使用UG，首先应从绘制平面草图入手，因为实体特征都是由平面草图通过各种命令，如旋转、拉伸等生成的。绘制平面草图时，要注意应用尺寸后原理。开始作图时，只需要大致的轮廓尺寸，不需要精确控制草图的每一个尺寸;修改草图时，再输入要求的控制尺寸，系统就可以通过再生建立准确的图形。应用尺寸后原理绘制草图，既方便，也节省时间，提高设计效率。(2)建立几何模型之前，要观察结构的主要特征是什么，确定从哪里开始建模。一般先做出主要特征，再做出局部的特征，也就是从整体到局部的建模思路。 (3)基准是完成特征的第一步。基准包括基准面、基准轴、基准曲线、基准点、基准坐标系，其主要用途是为三维造型设计提供建模参考，也可以作为草绘图和标注的参考。实体建模，首先需要考虑是采用系统默认的基准，还是采用自定义的基准，很多不规则的实体特征都是在自定义的参考基准上生成的。(4) UG是基于特征建模的，因此，父子特征的关系就显得十分重要。通常创建一个新特征的时候，不可避免要参考已有的特征，如选取已有的表面作为绘图平面或参考面，选取已有的特征边线为参考线等，此时便形成特征之间的父子关系。父特征修改直接影响到子特征，删除或隐藏父特征，子特征也会一起被删除或隐藏。UG提供的是一种全参数化的设计方法，最大优点就是可以对模型的尺寸参数进行修改，并重新自动生成模型。修改时，如果对某个父特征重新定义，就有可能导致子特征自动生成失败。发生这种情况，要通过重新排序或重新规划特征的方式修改父特征或子特征，以使两者对应，但一般应尽量避免发生这种情况。(5)在一些相交边界上设置倒圆角时，几个圆角可能在某处相交。由于交叉复杂，需要注意调整圆角建立的先后顺序，或者使用高级圆角命令。高级圆角命令的最大特点，是能控制多个圆角在相交处的相交状况。 (6)几何建模时，应尽可能用较少的特征完成模型创建，可以考虑的几种方法是: (a)创建相对较为复杂的草绘图形，将多个特征的草绘截面合并为一个复杂截面，从而减少创建特征的操作过程。17 (b)在同一种特征创建过程中，选取不同的特征创建方法也可能会减少特征的数量。 (c)使用复制、阵列和镜像几何形状等方法创建特征。 (7) 在UG里建模绘图，要么在刚开始在要首选项工具栏-建模里设置好你所要绘的产品的密度值，再一个就是你把产品绘好了，在编辑工具栏-特征-实体密度里编缉好产品密度，再选上你所绘的产品确认，这样你计算的重量就不会错。但往往我们绘图是都不会去先设置好产品密度再绘产品,而绘好产品在去首选项工具栏-建模里设置好你所要绘的产品的密度值.就这样去计算产品重量，这样就错了，而这时你去编辑工具栏-特征-实体密度里一看,是你所要的密度，这时对于刚学者来说就摸不着头脑了。而这时你要在编辑工具栏-特征-实体密度再确认一次你所绘的产品，就不会出错了。3.3驱动桥壳的有限元分析过程有限元分析是产品变型设计中的一个重要环节，它接受上游设计提供的设计结果和需求(几何尺寸、性能等)进行有限元建模。主要分为以下几步:(1)几何模型简化:在保持力学性能不变的前提下对几何模型作适当的简化，以利于有限元模型的建立; (2)几何模型转换:将简化了的几何模型通过专用或通用数据接口转入有限元分析软件中进行前处理; (3)前处理:包括单元类型选择、网格尺寸确定、网格划分、单元属性定义、边界条件处理、载荷处理等; (4)试运算:将建立的有限元分析模型提交给求解器进行试运算，通过试运算可以发现模型中的部分问题。 (5)模型检验:为了保证有限元模型的正确性，应对模型进行大量的理论、工程实践和试验检验，通过检验，找出有限元模型中存在的问题，以便修正模型，保证分析结果的可靠性，经过检验的有限元模型可作为企业的资源存入数据库，为知识重用提供强有力支持;(6)计算:将经过检验的有限元模型提交求解器计算，主要是选择求解器。求解过程由计算机自动进行，一般不需要人工干预; (7)后处理:将求解结果用云图、曲线、表格等形式显示出来，以便于求解结果的分析和评价; (8)根据计算的结果，评价设计，如果满足设计需求，输出设计结果，否则修改设计，重新进行分析计算，直到满足设计需求为止。有限元分析模型的建立包括以上的(1)、(2)、(3)、(4)、(5)，是有限元分析花费时间最多，最为关键的一步，直接影响到整个有限元分析的成败。由以上分析可知，有限元建模过程从总体上分为几何信息处理和非几何信息处理。几何信息的处理主要包括驱动桥装配模型的建立和几何模型的简化。驱动桥有限元模型建立过程的非几何信息处理包括:单元类型选择、定义单元尺寸、网格划分、单元属性定义、边界条件处理、载荷处理等。3.4模型简化方法建立驱动桥壳的几何模型时，根据驱动桥壳的结构和工作特点，在保持其力学性能不变的条件下，对桥壳结构进行了简化:(1)将桥壳结构中的圆角简化成直角，既有利于简化建模，也有利于有限元模型建立过程中提取中截面，便于采用板壳单元进行网格划分;(2)忽略掉加油口、放油口、固定油管和导线的金属卡、桥壳中部的开口槽、板簧座处的中心孔等几何特征.(3)假设半轴套管和驱动桥壳是一体的，不是装配的; (4)简化了受力小而又引起截面突变的部分，如忽略了半轴套管的台阶，将半轴套管视为等直径的套管，忽略掉桥壳两端轴承座处的台阶;(5)将一些不等厚的结构假设成等厚度的，以便于中截面的定位。由于建模的驱动桥壳是近似对称结构，所以总体的建模思路是建立模型的左半部分，然后通过对称建立完整的几何模型，最后完成公共的局部特征。由于是在驱动桥壳几何模型的基础上建立有限元模型，而且，是采用板壳单元生成驱动桥壳有限元模型，因此，建立几何模型时，直接采用中曲面建立驱动桥壳的几何模型，而不是采用实体建立驱动桥壳的几何模型。通过中曲面建立驱动桥壳的几何模型，既使驱动桥壳几何模型的建立得到简化，也省去了在有限元前后处理软件文件的菜单中提取中曲面的处理步骤，节省时间，提高工作效率。根据驱动桥的结构和工作特点，在保持其力学性能不变的条件下进行了几何模型简化，去掉了加油口、放油口、固定油管和导线用的金属卡、桥壳两端的凸台、桥壳中部的开口槽、所有的螺栓孔等几何特征。然后分别取各零部件中面，形成简化的零部件几何模型和三维装配模型。将拉杆座、减振器座、弹簧座与桥壳的交线设置为硬线，网格划分时在交线处产生节点，以便零部件网格能够自动连接在一起。由于简化前后的零部件模型和装配模型保持着几何上的关联性，修改其中任何一个的模型，另外的模型可以自动更新，即它们之间保持着主模型联系。3.5驱动桥壳有限元模型的建立一、 打开UG，新建文件，取名houqiao，二、 进入UG建模环境，绘制草图如图一 图3. 1三、退出草图，拉伸，选择图一中的曲线，如图2所示图3.2四、变半径倒圆，选择图形一边，具体操作、参数如图3所示，图3.3图3.4图3.5 图3.6确定，如图7所示图3.7同理依次倒圆其它3边，结果如图8所示图3.8五、抽壳选择两圆柱端面为冲孔的面，如图9所示图3.9结果如图10所示图3.10六、绘制草图，如图11所示图3.11七、退出草图，拉伸此曲线，拉伸长度10，布尔运算为差。结果如图12所示图3.12八、继续拉伸此曲线，参数如图13所示图3.13九、结束建模，最终效果如图14所示图3.14建立驱动桥壳的几何模型时，根据驱动桥壳的结构和工作特点，在保持其力学性能不变的条件下，对桥壳结构进行了简化:(1)将桥壳结构中的圆角简化成直角，既有利于简化建模，也有利于有限元模型建立过程中提取中截面，便于采用板壳单元进行网格划分;(2)忽略掉加油口、放油口、固定油管和导线的金属卡、桥壳中部的开口槽、板簧座处的中心孔等几何特征.(3)假设半轴套管和驱动桥壳是一体的，不是装配的;(4)简化了受力小而又引起截面突变的部分，如忽略了半轴套管的台阶，将半轴套管视为等直径的套管，忽略掉桥壳两端轴承座处的台阶;(5)将一些不等厚的结构假设成等厚度的，以便于中截面的定位。由于建模的驱动桥壳是近似对称结构，所以总体的建模思路是建立模型的左半部分，然后通过对称建立完整的几何模型，最后完成公共的局部特征。由于是在驱动桥壳几何模型的基础上建立有限元模型，而且，是采用板壳单元生成驱动桥壳有限元模型，因此，建立几何模型时，直接采用中曲面建立驱动桥壳的几何模型，而不是采用实体建立驱动桥壳的几何模型。通过中曲面建立驱动桥壳的几何模型，既使驱动桥壳几何模型的建立得到简化，也省去了在有限元前后处理软件中提取中曲面的处理步骤，节省时间，提高工作效率。本章小节 (1)模型的简化必须能够反映驱动桥壳的主要动特性，对一些次要部件和非功能件可以忽略和简化。 (2)对简化后的模型要再次参考实物的特点，对不足要进行及时修改，以免耽误下面的导入分析工作。 (3)通过对事物的测量和观察，建立出实体模型。第4章 基于ANSYS汽车驱动桥壳的有限元分析结合ANSYS软件,能高效准确地建立分析构件的三维实体模型,自动生成有限元网格,建立相应的约束及载荷工况,并自动进行有限元求解,对模态分析计算结果进行图形显示和结果输出,对结构的动态特性作出评价。它包括结构分析、模态分析、磁场分析、热分析和多物理场分析等众多功能模块。汽车驱动桥壳是汽车上的主要承载构件之一,作用是支承并保护主减速器,差速器和半轴等,使左右驱动车轮的轴向相对位置固定;同从动桥一起支承车架及其上的各总成质量;汽车行驶时,承受由车轮传来的路面反作用力和力矩并经悬架传给车架。驱动桥壳应有足够的强度和刚度且质量小,且便于主减速器的拆装和调整。因桥壳的尺寸和质量比较大,制造较困难,故其结构型式在满足使用要求的前提下应尽可能便于制造。壳,分段式桥壳和组式根据汽车设计理论,驱动桥壳的常规设计方法将桥壳看成一简支梁并校核几种典型计算工况下某些特定断面的最大应力值,再考虑一个安全系数来确定许用的工作应力。这种设计方法有很多局限性,因此近年来,许多研究人员利用有限元方法对驱动桥壳进行了计算和分析。研究的对象是松花江微型汽车使用的桥壳。4.1驱动桥壳传统强度分析计算桥壳可视为一空心横梁,两端经轮毂轴承支撑于车轮上,在钢板弹簧座处桥壳承受汽车的簧上载荷,而沿左右轮胎中心线,地面给轮胎以反力(双胎时则沿双胎之中心),桥壳承受此力与车轮重力之差,受力如图4.1所示图4.1 桥壳受力简图荷计算工况下桥壳的强度得到保证,就认为该桥壳在汽车行驶条件下是可靠的。Mv为地面对车轮垂直反力在桥壳板簧座处断面引起的垂直平面的弯矩,Mv=m2G2b/2; (b为轮胎中心平面到板簧座之间的横向距离) ,Mh为牵引力或制动力Fx2(一侧车轮上的)在水平面内引起的弯矩,Mh=Fx2b;TT为牵引或制动时,上述危险断面所受转矩,TT=Fx2rr;Wv、Wh、WT分别为危险断面垂直平面和水平面弯曲的抗弯截面系数及抗扭截面系数,见表1。表1桥壳在钢板弹簧座附近的断面形状及界面形状系数断面形状垂直及水平弯曲截面系数、扭转截面系数桥壳的许用弯曲应力为300500MPa,许用扭转切应力为150400MPa。可锻铸铁桥壳取较小值,钢板冲压焊接桥壳取较大值。上述桥壳强度的传统计算方法,只能算出某一断面的应力平均值,而不能完全反映桥壳上应力及分布的真实情况。因此,它仅用于对桥壳强度的验算,或与其它车型的桥壳强度进行比较,而不能用于计算桥壳上某点(例如应力集中点)的真实应力值,使用有限元法对驱动桥壳进行强度分析,只要计算模型简化得当,受力约束处理合理,就能得到比较详细的应力与变形分布情况,这些是上述传统计算方法难以办到的。4.2有限元分析的实现方法通常,在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立。一般包括几何建模、定义材料属性和实常数(要根据单元的几何特性来设置,有些单元没有实常数)、定义单元类型,网格划分、添加约束与载荷等。因汽车零部件结构形状较为复杂,包含许多复杂曲面,而一般有限元软件所提供的几何建模工具功能相当有限,难以快速方便地对其建模。因此,针对较复杂的结构,采用三维CAD软件如UG中建立几何模型。然后在有限元分析软件ANSYS中通过输入接口读入实体模型。最后,在ANSYS中完成其它分析过程。图4.2 (a)模型图然后将模型导入到ANSYS中见图4.2（b）,网格化效果图见4.2(c)导入图4.2（b）图4.2(c) 桥壳网格化4.2.1网格划分的基本原则 网格划分是有限元分析的重要环节，划分网格应考虑以下原则。 (1)网格数量:网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高，而计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格时精度提高甚微，而网格划分的时间以及有限元分析计算时间却有大幅度增加。应比较两种网格划分的计算结果，如果计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止计算。在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。静力分析时，如果仅仅考虑变形，网格数量可以少一些。如果计算应力，应取相对较多的网格。本章主要计算驱动桥壳的静力特性，因此采用较少的网格数量，采用均匀的网格密度。 (2)网格疏密:指在结构不同部位采用大小不同的网格。在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，则应划分相对稀疏的网格。应使网格数量增加到关键部位，既可以保持计算精度，又可减少网格数量。在次要部位增加网格的不必要的，也是不经济的。疏密不同的网格对于应力分析非常重要。 (3)单元阶次:单元具有线性、二次和三次等形式，高阶单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。高阶单元的节点数较多，相同网格数量，高阶单元模型规模大得多，因此在使用时应权衡考虑计算精度和实间。 (4)网格质量:指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度。质量太差的网格甚至会中止计算。划分网格时网格质量要达到某些指标要求。在结构关键部位，应保证划分高质量网格，个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。当模型中存在质量很差的网格(称为畸形网格)时，计算过程将无法进行。划分后需要检查网格，避免不良网格造成运算终端、程序出错等现象。(5)网格布局:当结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型表现出相应的对称特性，不对称布局会引起一定误差。网格化之后是各种分析前的准备工作例如定义各种分析条件。如：载荷条件的定义，接触边界条件的定义，材料力学性能定义等。单元类型的选择在这里选择的是实体单元SOLID95.图4.3（a）接触边界条件定义图4.3（b）接触边界条件定义图4.4材料力学性能定义4.3分析结果通过加载载荷最直观的发现是桥壳发生了垂向变形。见图4.5和图4.6图4.5垂直变形图4.6垂直变形加载过程中体现出的等效应力分布和轴向应力分布如图4.7、图4.8。局部轴向应力分布和局部最大应力分布见图4.9和图4.10图4.7等效应力分布 图4.8轴向应力分布图4.9局部轴向应力分图4.10局部最大主应力分布在不考虑由约束影响造成局部过大应力的情况下,可以看出桥壳收静载荷的变形程度不算很大，在合理的范围内，说明静载荷强度达到标准。从加载垂直变形图可以发现受静载荷强度最大的地方时整个桥壳中间主减速器壳的位置，应力从中间向两侧逐渐递减。从应力分布图中可以看出来集中在两侧的加载点，查阅相关资料，驱动桥桥壳的后备系数应选为4-10。所以,该桥壳是符合结构强度要求的。改进思路载荷一定时，弯矩的大小取决于车轮中心面到同侧板簧支座之间的距离。由公式可知二者成正比，所以尝试将板簧支座向外偏移，通过计算可知当板簧支座向外偏移，最大应力下降了，最大变形下降了，可见若轮距不变而簧距增加，可减小驱动桥的应力和变形，进而延长其疲劳寿命。本章小节