中型商用车后桥壳设计及力学分析_本科毕业设计说明书(编辑修改稿)

中型商用车后桥壳设计及力学分析_本科毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

施和建议。 有限元法在桥壳设计过程中的应用主要有以下几个方面：(1) 桥壳垂直弯曲的静力分析：主要是计算桥壳的垂直弯曲强度和刚度。 方法是将桥壳两端固定，在弹簧座处施加载荷，当桥壳承受满载轴荷时，，桥壳不能出现断裂和塑性变形[8]。 (2) 桥壳模态分析:通过计算，得到整个桥壳在自由状态下的固有频率和固有振型，以分析桥壳的动态特性。 (3) 桥壳动载荷分析:求得桥壳和弹簧系统在垂直激励作用下的响应以及动应力，找到驱动桥壳典型部位以及破坏的确切位置。 (4) 桥壳随机振动分析:在两侧车轮的垂直方向输入标准路谱，计算桥壳关键部位处的功率谱。 (5) 桥壳疲劳寿命分析:应用有限元法预测桥壳疲劳危险点的位置，或者比较在给定载荷下部件的不同设计造成疲劳寿命的差异。 受力与约束条件处理恰当，就可以得到较理想的计算结果，且可以得到比较详细的应力和变形分布情况，以及应力集中区域的应力变化趋势，这些都是传统设计方法难以做到的。 第三章 驱动桥桥壳结构受力及强度分析 本商用车主要参数本文主要对中型商用车驱动桥壳强度进行分析。 整备质量（ kg）4850装载质量（ kg）5000最高车速（km/h）90轴距（mm）2500轮距(mm)1740最大功率（Kw）117最大扭矩(NM)560减速器传动比 轮胎规格 驱动桥桥壳受力的典型计算工况汽车的行驶条件如道路情况以及汽车的运动状态是复杂多变的，在实际行驶过程中的工况极其复杂，对于全浮式半轴的驱动桥桥壳的强度计算与半轴强度计算的三种载荷工况相同：1．汽车满载行驶通过不平路面承受冲击荷载时，车轮承受最大铅垂力工况；2．汽车满载并以最大牵引力行驶或紧急制动时，车轮承受最大切向力工况：3．汽车满载侧滑时，车轮承受最大侧向力工况[3,20]；只要在这三种典型工况下，桥壳的强度得到保证，就认为该桥壳在汽车的各种行驶条件下是可靠的， 受力简图： 桥壳受力简图图中 Fx2i，Fx2o——左右侧车轮在水平面内的牵引力或制动力；Fy2i，Fy2o——内外侧车轮所受的侧向力；Fz2i，Fz2o——左右侧车轮的地面垂直反力；hg，rr——分别为满载质心高度和车轮滚动半径； 桥壳承受最大垂向力工况 此处省略NNNNNNNNNNNN字。 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载。 该论文已经通过答辩根据这种典型工况即汽车满载通过不平路面承受冲击荷载时，车轮承受最大铅垂力的极限工况进行静力分析。 汽车在此工况下受垂向动载荷。 根据文献。 ZL=b/(a+b) (31)ZR=a/(a+b) (32) 式中：ZL， ZR——分别是施加在左、右钢板弹簧座上的载荷，N；G——后桥壳满载轴荷，N；a——左边钢板弹簧座中点与桥壳中央点的距离，m；b——右边钢板弹簧座中点与桥壳中央点的距离，m；对于左右对称的桥壳(本文所研究的桥壳模型为左右对称结构，a=b)ZL= ZR=(33)由查文献得，该车满载时后轴的重量为整车重量的70%，故：ZL= ZR=（4850+5000）P=F/S=104/(10080106 )= MPa 桥壳承受最大牵引力工况汽车满载在以最大牵引力行驶时，发动机以最大转矩工作，桥壳主要承受垂向力和最大牵引力。 为使计算简化，不考虑侧向力，仅按汽车作直线运动计算，另从安全系数方面作适当考虑。 此时左右驱动轮除作用有垂向反力外, 还作用有地面对驱动车轮的最大切向反作用力(及牵引力) , 最大牵引力大小为:Pmax= Tmax ig1ig0ηt/rr (34)式中：Tmax——发动机最大转矩，Nm；ig1——变速器I挡传动比；ig0——驱动桥的主减速比；ηt——传动系的传动效率；rr——驱动车轮的滚动半径。 根据汽车的参数选得：以解放牌平头式载货汽车，车辆型号为CA1108PK212为例,发动机为CA4DF216，其额定功率：117KW 2300r/min。 最大转矩： 560NM， 1400r/min。 汽车的轮胎规格：。 Tmax为发动机最大转矩560NM, ig1为变速器I档传动比,。 ig0为 驱动桥的主减速比,。 ηt为传动系的传动效率,。 rr为驱动车轮的滚动半径,代入得：Pmax= 560Fxi=Fxo=Pmax/2=20199 N 汽车紧急制动时的桥壳受力分析此工况为汽车满载紧急制动时的工况, 不考虑侧向力。 汽车紧急制动时,左右驱动车轮除作用有垂直反力外, 还作用有地面对驱动车轮的制动力,最大制动力大小为:F =G m’φ/2 (35)式中: G —汽车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷。 m’ —汽车制动时的质量转移系数,对载货汽车后驱动桥一般取0. 75～,取 0. 8。 φ —驱动车轮与路面的附着系数,计算时取0. 75～0. 8,取0. 8。 代入得:F= 汽车受最大侧向力时的桥壳受力分析最大侧向力时，纵向力即为零，此时意味着汽车发生了侧滑。 外轮上的垂直反力Fx2o和内轮上的垂直反力Fx2i分别为Fx2o=G（+φ1） (36)Fx2i=G Fx2o (37)式中: G ——汽车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷；φ1 ——轮胎与地面的侧向附着系数, 取1. 0；B2， hg——，汽车满载质心高度。 外轮上的侧向力Fy2o和内轮上的侧向力Fy2i分别为：Fy2i= Fx2oφ1 (38)Fy2o= Fx2iφ1 (39) 将具体数据代入上面四个式中求得内侧车轮上的垂直反力Fx2i=0，表明内侧车轮一翘起，所有的力都由外侧车轮承受，则外侧车轮的最大侧向力Fx2o=Gφ1。 第四章 驱动桥壳三维模型的建立和网格划分 UG软件简介几何模型的建立是整个有限元分析工作的第一步，也对以后的所有工作有着至关重要的作用，而建模的第一步则选用UG软件进行三维建模。 UG NX系统提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。 UG面向过程驱动的技术是虚拟产品开发的关键技术,在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有效地实现了并行工程。 不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能；而且，在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性；同时，可用建立的三维模型直接生成数控代码，用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型数控机床。 另外它所提供的二次开发语言UG/OPen GRIP，UG/open API件具有以下特点：(1) 具有统一的数据库，真正实现了CAD/CAE/CAM等各模块之间的无数据交换的自由切换，可实施并行工程。 (2) 采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模融为一体。 (3) 用基于特征（如孔、型胶、槽沟、倒角等）的建模和编辑方法作为实体造型基础，形象直观，类似于工程师传统的设计办法，并能用参数驱动。 (4) 曲面设计采用非均匀有理B样条作基础，可用多种方法生成复杂的曲面，特别适合于汽车外形设计、汽轮机叶片设计等复杂曲面造型。 (5) 出图功能强，可十分方便地从三维实体模型直接生成二维工程图。 能按ISO标准和国标标注尺寸、形位公差和汉字说明等。 并能直接对实体做旋转剖、阶梯剖和轴测图挖切生成各种剖视图，增强了绘制工程图的实用性。 (6) 提供了界面良好的二次开发工具GRIP（GRAPHICAL INTERACTIVE PROGRAMING）和UFUNC（USER FUNCTION），并能通过高级语言接口，使UG的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合起来。 (7) 具有良好的用户介面，绝大多数功能都可通过图标实现；进行对象操作时，具有自动推理功能；同时，在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，便于用户做出正确的选择。 驱动桥壳三维建模的过程 驱动桥壳的简化受力分析的前提下，可以对驱动桥壳的模型进行适当的简化。 首先在UG中建立起驱动桥壳的三维模型,在建立桥壳的有限元模型时,先对驱动桥壳实体作必要简化,对主要承载件,均保留其原结构形状,以反映其力学特性,对非承载件进行一定程度的简化,在本次的三维建模中将桥桥壳两端的螺栓孔省去。 三维建模(1) 驱动桥桥壳进行草图绘制。 驱动桥桥壳草图 (2) 通过拉伸命令形成桥壳部分实体，拉伸距离为130mm。 部分桥壳实体(3)进一步形成桥壳两端，小圆柱直径为120mm，高度为80mm；大圆柱直径为200mm，高度为10mm。 形成桥壳两端(4) 挖孔，大孔直径为370mm，小孔直径为70mm。 挖孔(5)做边倒圆过度 边倒圆过度(6)建出弹簧几座长100mm，宽80mm，高15mm，并倒圆角形成所需的三维模型。 做边倒圆模型 将模型导入ANSYS进行网格划分 驱动桥有限元模型的建立在有限元法中，连续体结构被看作是由有限个单元通过有限个节点连接而成的计算模型。 每一个单元都相应地代表着结构某些力学性质的局部小块。 显然，如果每个单元所代表的力学特性与实际结构受力后这一小块的力学特性越近似，计算出来的精确性就越高。 为了得到较好的解答结果，所使用的单元应尽可能地反映出实际中各种因素对其结构力学特性的影响。 这样不仅要求每个单元与对应的实际结构之间几何类型(即几何的逼真性)一致，而且要求单元传递力和传递运动的力学特性(即力学特性的逼真性)相一致。 在桥壳几何模型的基础上，进行模型的离散化，建立有限元模型，并最终形成计算数据文件。 所谓离散化，就是假想把被分析的弹性连续体分割成由有限个单元组成的几何体，连续体的离散化又称为网格划分。 离散而成的有限元集合体将代替原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个计算模型上进行。 因此，有限元分析的计算速度和结果准确度直接受分析模型与实际工程结构力学特性符合程度的影响[18,19]。 定义桥壳单元材料属性该驱动桥桥壳的材料为QT40015, 弹性模量EX= MPA，泊松比PRXY=，许用应力[]=400 MPA。 有限元模型网格划分网格划分是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模产生直接影响。 为了建立正确合理的有限元模型，划分网格时应遵循以下基本原则：(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素综合考虑。 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。 所以应注意增加网格的经济性。 实际应用时可以比较两种网格划分的计算结果。 如果两次计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止细分网格。 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，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。 同样在响应计算中，计算应力响应所取的网格数应比计算位移响应多。 在计算结构固有动力特性时，若仅仅是计算少数低阶模态，可以选择较少的网格。 如果计算的模态阶次较高，则应选择较多的网格。 在热分析中，若结构内部的温度梯度不大，不需要大量的内部单元，这时可划分较少的网格。 (2)网格疏密：网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。 在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好地反映数据变化规律，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，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格，这样整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。 采用疏密不同的，网格划分，既可以保持计算精度，又可减少网格数量。 因此，网格数量应增加到结构的关键部位。 再次要部位增加网格是不必要的，也是不经济的。 疏密不同的网格对于应力分析非常重要。 划分疏密不同的网格主要用于应力分析(包括静应力和动应力)，而计算固有特性时，则趋于采用较均匀的网格形式，这是因为固有频率和振型主要取决于结构质量分布和刚度分布，不存在类似应力集中的现象，采用均匀网格可使结构刚度矩阵和质量矩阵的元素不致相差太大，可减小数值计算误差。 同样，在结构温度场计算中也趋于采用均匀网格。 (3)单元阶次：许多单元都具有线性二次和三次等形式，其中二次或三次形式的单元称为高阶单元。 选用高阶单元可提高计算精度，因为高阶单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线或曲面边界，且高次插值函数可以更高精度地逼近复杂场函数，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时，可以选用高阶单元。 但高阶单元的节点数较多。