合肥工业大学毕业论文某载货车驱动桥壳的有限元分析

合肥工业大学毕业论文某载货车驱动桥壳的有限元分析内容摘要：

）（ LL hPGZ ga max2 212  （ 24） 式中： Ga — 汽车满载静止于水平地面时给地面的总载荷； hg— 汽车质心高度； 而作用在左右驱动车轮上的转矩所引起的地面对驱动车轮的最大切向反作用力（即汽车驱动力）为： riiTPrTge 0maxmax （ 25） 11 式中： Temax — 发动机最大转矩， mN ； ig1— 变速器一档传动比； i0 — 驱动桥的主减速比； T— 传动系 的传动效率； rr — 驱动车轮的滚动半径； 最大制动力工况 汽车紧急制动时的受力情况如下图所示： 图 汽车紧急制动时的受力简图 则 ）（ agL hLGZ ga 212 12  （ 26） 式中： g— 重力加 速度， m/s2 a— 制动加速度， m/s2 因 GGaag a，故制动加速度 a 为 a=g （ 27） 其中  表示制动强度，当汽车以最大的强度制动时，该值取地面的附着系数，一般 取 . 由上面两式，可求得桥壳的垂向力和纵向力。 最大侧向力工况 汽车在满载、高速转弯等工况中，会产生一个作用于汽车质心处的相当大的离心力。 汽车也会由于其他原因承受侧向力。 当汽车所承受的侧向力达到地面给车轮的侧向反作用力的最大值时，汽车处于临界状态，侧向力一旦超过侧向附着力，则汽车将产生侧滑。 12 下图为汽车向右侧滑时的受力简图，根据该图可求出驱动桥侧滑时左右地面对驱动车轮的支承反力和侧向力。 图 27 汽车向右侧滑时的受力简图 当汽车侧滑发生在侧翻之前时汽车所受到的侧向力为 122 GP (28) 其中， 1取地面的最大侧向力系数。 则左右车轮的支承反力为 )21( 122 BhGZ gl  (29) )21( 12r2 BhGZ g (210) 当汽车侧翻发生在侧滑之前时 ,地面对左侧车轮的支撑力为零，则 ： 02 2l2  BHYGZ gy (211) 其中， Yy为地面对车轮的侧向力。 通过力学的平衡方程，可以求得钢板弹簧座的垂向力。 本章小结 本章主要对桥壳的构造、类型、材料等进行了简要介绍，并且分析了驱动桥壳在最大垂向力、最大牵引力、最大制动力、最大侧向力等四种典型工况下的受力情况，为下章对桥壳的有限元模型施加载荷和约束提供了参考。 13 3 驱动桥壳几何模型与有限元模型的建立 驱动桥壳几何模型的建立 建立驱动桥壳的几何模型包含两个方面的工作，一是根据 CAD 图纸建立三维模型；二是根据分析的需要对三维模型进行简化，以便于有限元分析的进行。 本文中研究的驱动桥壳及汽车的部分参数如下： 表 汽车及驱动桥壳的部分参数 项目 参数 项目 参数 汽车整备质量 6430kg 汽车总质量 17510kg 轴距 4300mm 后轮距 前轴载荷系数（空载） 48% 后轴载荷系数（空载 52% 前轴载荷系数（满载） 30% 后轴载荷系数（满载） 70% 轮胎 （直径 1125mm） 主减速比 后板簧中心距 1030mm 发动机最大功率 （ 2100r/min） 发动机最大扭矩 （ 1300r/min） 汽车最高行驶速度 80km/h 变速器传动比 i1= i2= i3= i4= i5= i6=1 桥壳自重 桥壳型式 整体冲焊式 驱动桥壳的 CAD 结构如图： 14 图 驱动桥壳结构图 根据 CAD 结构图，在 CATIA 中建立驱动桥壳的三维模型。 首先，作出桥壳本体部分的草图： 图 驱动桥壳本体部分二维草图 由于驱动桥壳是对称结构，故可以先做出一半模型，最后使用镜像命令，驱动桥壳的一半模型为： 15 图 驱动桥壳一半模型 上图中，桥壳本体的厚度为 15mm。 半轴套管变截面的台阶结构用 于安装两对圆锥滚子轴承，本文中货车的轮距为 ，则左右半轴套管上距中间平面 处为两对轴承的中间位置。 为了便于在有限元分析中对桥壳划分模型划分网格和定义材料属性，驱动桥壳模型采用装配设计，将钢板弹簧座和驱动桥壳本体装配在一起。 钢板弹簧座与驱动桥壳本体间采用焊接的方式连接，传力方式相当于刚性连接。 最终得到的驱动桥壳的三维模型如下图： 图 驱动桥壳三维模型 由上图可以看到，所建立的驱动桥壳三维模型是 经过简化处理的。 对桥壳模型进行简化，一方面，可以减小建模的难度，另一方面也有利于对桥壳进行网格划分，节省计算资源。 同时，对桥壳上的细微结构进行简化处理，对于最终的有限元分析结果的影响较小，仍然可以认为简化模型的有限元分析结果比较接近于实际情况 [16]。 驱动桥壳的的简化主要体现在以下几个方面： （ 1）省去了放油口、加油口、固定油管、桥壳中部的开口槽、板簧座的中心孔等几何结构。 （ 2）省去了桥壳后端盖。 （ 3）忽略主减速器对于桥壳的支承作用。 （ 4）忽略半轴套管处轴径的细 微变化，忽略台阶，简化成一段直径相同的轴套。 对三维模型进行检查，确认无误后将其保存为 CATIA 的装配图格式。 16 有限元分析方法 有限元分析简介 有限元分析 是利用数学近似的的方法对真实物理系统（几何和载荷）进行模拟。 还利用简单而又相互作用的的元素（即单元），用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 对于不同问题，有限元 方法的 求解步骤 基本 是相同的，有限元 方法 求解问题的基本步骤通常为： 前处理：前处理包括建立有限元模型，输入材料特性，施加边界条件和载荷，以及检查有限元模型等步骤。 求解：求解过程在求解器中进行，求解器能够解答线性和非线性的、静态的、动态的、屈曲、热传导和势位能等分析问题。 后处理：后处理包括输出位移和应力云图，根据各种失效准则，诸如允许的最大偏移、材质的疲劳强度等指标来比较有限元分析结果。 有限元分析方法的进步诞生了新兴的跨专业和跨行业的学科。 作为一种新近发展起来的数值模拟分析技术， CAE 越来越受到工程技术人员的重视和青睐。 CAE 技术的引进，使企业的产品开发过程产生了重大变化，下面两幅框图就说明了 CAE 技术的引进对企业产品开发流程产生的影响 [17]。 17 图 传统产品设计流程图 从图中可以看出，传统的产品设计流程中充斥着大量重新设计的可能性。 在样品的测试实验阶段，甚至是产品的大规模生产之后，如果发现产品不合格，就要重新对产品进行详细设计。 之所以会出现这样的情况，根源在于缺乏对详细设计得到的产品方案进行模拟仿真和评估的工具。 这导致整个设计过程趋于盲目性和经验性。 如果有这样一种分析工具，可以在试制样品之前就对详细设计得到的产品方案进行仿真模拟，及时发现和改进问题，就能有效地消除设计中的盲目性， 基本上能够在详细设计过程中就拟定最终的比较可靠的产品方案。 CAE 技术的引入就使得这一设想变为现实。 18 图 引入 CAE 后产品设计流程图 CAE 的重要性体现在以下几个方面： （ 1） CAE 本身就可以看作成一种实验。 数值模拟在某种意义上比理论和试验对问题的认识更为深刻。 （ 2） CAE 可以直观地显示目前还不易观测到的，说不清楚的一些现象。 （ 3） CAE 促进了试验的发展，对试验方案的科学制定、实验过程中测点的最佳位置、仪表量程等的确定提供了更 可靠的理论指导。 （ 4）一次投资，长期受益。 据统计，应用 CAE 技术后，开发期的费用占开发成本的比例，从 80%— 90%下降到 8%— 12%。 有限元分析在汽车设计中的应用 CAE 作为一项跨学科跨行业的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视，在汽车工业研究中的应用也越来越广泛。 运用 CAE 技术，新产品开发涉及到的疲劳、寿命、振动、噪声等强度、刚度和振动问题，可较好地在设计阶段解决，这样就可以大幅度提高设计质量，缩短产品开发周期，节省大量开发费用。 CAE 分析范围覆盖了结构、流体 力学、多体动力学、被动安全、工艺、整机和整车性能等方方面面。 概括起来，目前汽车开发过程中的 CAE 分析主要包括以下几个方面 [18]： （ 1）结构强度、刚度和模态分析及结构优化设计。 汽车结构的有限元分析体现在：一，在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、强度和稳定性进行分析；二，在汽车结构分析中普遍采用有限元法来进行各构件的模态分析，计算 19 出各构件的动态响应，可以真实地描绘出各部件的动态过程；三，在静力分析和动态分析的基础上对结构进行优化设计，使结构在保证使用要求的同时减少材料使用，降低产品成本。 有限元 分析在汽车结构上的应用实践证明其可以从根本上提高车身设计水平，并降低研制成本。 （ 2） NVH 的有限元分析。 CAE 分析有助于分析汽车各个系统和部件的振动特性，在汽车设计过程中，消除可能出现的振动耦合现象，从而提高整车的振动和噪声控制水平。 （ 3）碰撞与安全性分析。 对建立的整车有限元模型进行整车碰撞的模拟仿真，得到碰撞后车身的变形结果和碰撞过程中模型的能量与速度变化曲线。 从而可以直观地掌握了汽车在碰撞过程中速度、变形和能量等参数的变化情况。 ANSYS 简介 ANSYS 软件是美国 ANSYS 公司 研制的大型通用有限元分析（ FEA）软件，它是世界范围内增长最快的 CAE 软件，能够进行包括结构、热，声、流体以及电磁场等学科的研究。 在核工业、铁道、石油化工、航天航空、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医药、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。 ANSYS 功能强大，主要可以进行下列分析 [19]： （ 1）结构分析。 包括静力分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析、特征屈曲分析及专项分析。 （ 2） ANSYS 热分析。 热分析的类型包括相变、内热源、热传导、热对流及热辐射。 （ 3） ANSYS 电磁分析。 磁场分析的类型包括静磁场分析、交变磁场分析、瞬态磁场分析、电场分析、高频电磁场分析等。 （ 4） ANSYS 流体分析。 流场分析的类型包括 CFD、声学分析、容器内流场分析、流体动力学耦合分析。 （ 5） ANSYS 耦合场分析，主要考虑两个和多个物理场之间的相互作用，例如，在压电力分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结构分析）。 20 图 经典界面 ANSYS 分析过程主要包括三个步骤：前处理、加载并求解、后处理。 ANSYS 中建立桥壳的有限元模型 有限元模型的建立。