1、湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文I毕业论文轻型汽车 QX1060 驱动桥壳的有限元分析湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文II摘要作为汽车的主要承载件和传力件，驱动桥壳承受了载货汽车满载时的大部分载荷，而且还承受由驱动车轮传递过来的驱动力、制动力、侧向力等，并经过悬架系统传递给车架和车身。因此，驱动桥壳的研究对于整车性能的控制是很重要的。本文以轻型载货汽车 QX1060 驱动桥壳为研究对象，详细论述了从 UG 软件中的参数化建模，到 ANSYS 中有限元模型的建立、边界条件的施加等研究。并且通过对桥壳在四种主要工况下的静力分析和模态分析，直观地得到了驱动桥壳在各对应工况
2、的应力分布及变形情况。从而在保证驱动桥壳强度、刚度与动态性能要求的前提下，为桥壳设计提出可行的措施和建议。关键词：有限元法，UG，ANSYS Workbench，驱动桥壳，静力分析，模态分析湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文IIIAbstractAs the mainly carrying and passing components of the vehicle, the automobile drive axle housing supports the weight of vehicle, and transfer the weight to the wheel. Throu
3、gh the drive axle housing, the driving force, braking force and lateral force act on the wheel transfer to the suspension system, frame and carriage.This article studies based on light truck driver axle of QX1060, discusses in detail from the UG software parametric modeling, establish of ANSYS FEM m
4、odel, and the boundary conditions imposed, etc. And through drive axle housing of the four main conditions of static analysis and modal analysis, it can access the stress distribution and deformation in the corresponding status of drive axle directly. Thus, under the premise of ensuring the strength
5、 of drive axle housing, stiffness and dynamic performance requirements, the analysis can raise feasible measures and recommendations in drive axle housing design.Keywords：Finite element method，UG，ANSYS Workbench，Drive axle housing，Static analysis，Modal analysis湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文IV目录摘要 .IAbstrac
6、t.II1 绪论 .11.1 课题来源及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 ANSYS 软件介绍 .41.3.1 概述 .51.3.2 ANSYS 的主要模块及功能 .51.3.3 ANSYS 的主要技术特点 .61.3.4 ANSYS Workbench 简介 .71.4 CAD/CAE 在汽车设计中的应用 .81.5 课题研究内容 .82 驱动桥壳的 CAD建模 .102.1 驱动桥壳的结构特点 .102.2 UG 软件介绍及参数化建模思想 .102.2.1 UG 软件介绍 .102.2.2 UG 参数化建模思想和一般模块介绍 .112.3 驱动桥壳的建模及简化处理 .142.3
7、.1 驱动桥壳三维的建模 .142.3.2 驱动桥壳的模型简化处理 .163 驱动桥壳静力分析 .183.1 静力分析概述 .183.2 驱动桥壳静力分析典型工况 .183.3 建立驱动桥壳有限元模型 .203.3.1 几何模型的导入 .20湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文V3.3.2 生成桥壳有限元模型 .213.4 驱动桥壳各工况静力分析 .233.4.1 冲击载荷工况 .233.4.2 最大驱动力工况 .253.4.3 最大制动力工况 .283.4.4 最大侧向力工况 .304 驱动桥壳的模态分析 .344.1 模态分析理论 .344.2 建立模态分析有限元模型 .354.
8、3 驱动桥壳模态分析 .364.3.1 自由模态分析 .374.3.2 约束模态分析 .414.3.3 模态分析总结 .475 课题总结与 展望 .485.1 课题总结 .485.2 研究展望 .49参考文献 .50致谢 .52附录 ：电子文档清单 .53湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文11 绪论1.1 课题来源及意义本课题来源于湖北汽车工业学院汽车工程系，是汽车设计与分析计算的子课题之一，是后续专业课程的基础，为轻型载货汽车的驱动桥壳设计提供参考。在桥壳的传统设计中，往往采用类比方法，对已有产品加以改进，然后进行试验、试生产。为安全起见，一般要加大安全系数，这使得生产周期延长设
9、计成本增加，而且生产出来的产品往往质量过大。在本课题轻型汽车驱动桥壳的开发设计中，尝试利用有限元分析，在图纸设计阶段就通过建立桥壳的物理和数学模型，模拟桥壳在实际工作中的受载情况，对所设计的产品在计算机上进行有限元分析，发现可能出现的问题，然后改进图纸设计，进行进一步的分析改进。这样，在图纸最终完成后，就可以将设计正式投入生产，对实现最优化设计、提高设计效率、缩短开发周期、节约成本具有重要意义。1.2 国内外研究现状驱动桥是工程机械底盘的重要部件，其性能直接影响着机械的整体性能。大量实践表明，由于受力复杂，驱动桥壳是各种车辆上比较容易出现破坏的部件之一。因此，国内外都对此进行了大量的研究，主要
10、集中于以下几个方面。1）有限元法有限元法由于能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题，因而在实际中得到广泛应用，成为一种可靠的新的数值计算方法，并取得许多实际效益。在车辆设计中，有限元法也得到应用。应用有限元法，对车辆的所有结构件、零部件，可以进行刚度、强度、稳定性分析，可以进行模态分析再现振动模态，进一步可以计算动态响应，较真实地描绘出动态过程。有限元法在车辆设计中的主要应用有 1：(1 ) 结构静力分析：分析计算车辆结构与时间无关的应力分布和变形关系，这是湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文2在车辆设计中最常见的应用。(2) 结构动力学分析：可分为两类问题。一类是用有限元法
11、进行模态分析，求解车辆结构本身的动态特性，如固有频率、振型等；另一类是用有限元法进行响应分析，即求解得到车辆结构在动载荷作用下的响应，这比静力分析更接近于实际工作情况 2。(3) 温度场分析：分析车辆结构内部温度分布以及热应力和热变形的情况，包括稳态和瞬态问题。(4) 车辆的断裂力学、接触力学以及车辆碰撞和被动安全性分析。同样，设计驱动桥壳时，作为车辆的主要承载构件之一，驱动桥壳形状和受力都很复杂，因此，要精确计算出驱动桥壳各状态下各处的应力是很困难的 3，4 。过去，主要是通过对桥壳样品进行台架试验和整车行驶试验，考核桥壳强度和刚度。有时还采用在桥壳上贴应变片的电测方法，让车辆在典型路段上满
12、载行驶或典型工况下工作，以测定桥壳的应力。这些方法只有在有桥壳样品的情况下才能使用，而且需要付出相当大的人力、物力和时间。或者将桥壳看成是一简支梁，校核某些特定断面的最大应力值。我国通常推荐将桥壳复杂的受力状况简化在典型工况下，只要桥壳的强度得到保证，就认为该桥壳在车辆的各种行驶条件下是可靠的。传统的桥壳强度的计算方法，只能近似计算出桥壳某一断面的应力平均值，不能完全反映桥壳上应力及其分布的真实情况。因此，这种方法仅用于对桥壳强度的验算，或用来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的真实应力值。有限元法作为一种现代化的结构计算方法，在一定的前提条件下，可以计算出机械产品各处的位
13、移、应力和应变。在国外，二十世纪七十年代前后，有限元方法逐渐在车辆桥壳的强度分析中得到应用。例如，美国的机械研究所、万国汽车公司等，都曾经使用有限元法计算过桥壳的强度。使用有限元法对车辆驱动桥壳进行强度分析，只要计算模型简化得合理，受力与约束条件处理恰当，就可以得到比较理想的计算结果。而且，可以得到比较详细的应力和变形的分布情况，以及应力集中区域和应力变化趋势，这些都是传统方法难以做到的。因此，在驱动桥壳设计中，应用有限元法具有重要的意义。通过对驱动桥壳进行有限元分析计算，既可以分析驱动桥壳的变形、应力、应变、强度与刚度等情况，也可以分析比较各种设计方案，在保证强度与刚度的前提下，为结构的减重
14、、改进以及优化设计提出可行的措施和建议 5。湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文3下面将结合一些学者在驱动桥壳上做的有限元研究成果来具体介绍一下有限元法在驱动桥壳设计过程中进行分析、评估和校核中的应用：(1) 驱动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。郑燕萍在有限元中将桥壳两端固定，在弹簧座处施加载荷 6，得出结论：当桥壳承受满载轴荷时，每米轮距最大变形量不超过1.5mm，强度足够；龙慧对装载机的前驱动桥壳进行了垂直弯曲的有限元强度分析，计算出桥壳应力、变形分布和应力集中，为提高驱动桥壳的承载能力和新产品的开发提供了较为可靠的依据 7。(2) 驱动桥壳模态分析驱动
15、桥壳模态分析主要通过计算，得到整个驱动桥壳在自由状态下的固有频率与固有振型，以分析驱动桥壳的动态特性。陈朝阳介绍了多输入/多输出理论模态分析的基本方法 8，并用该方法对模型进行了计算，得到其理论解；同时又对该模型进行了实验模态分析，得到了实验解。两种解的误差很小，说明该理论分析方法完全可以应用于驱动桥的模态分析中。褚志刚通过模态分析方法找到了某汽车驱动桥壳的破坏原因。该驱动桥壳在使用中中部区域常出现裂纹，静强度计算表明该桥壳静应力分布合理，破坏区的静应力很小，模态分析中桥壳的前九阶频率在路面谱频率范围内，在路面谱的激励下很容易引起垂直方向的共振 9。这不但说明模态分析在驱动桥的研究和设计中有着
16、具体的应用，而且还是必要的。(3) 驱动桥壳的响应分析谐响应分析用于确定线性结构承受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时稳定响应的一种技术；褚志刚求得驱动桥壳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 9。刘万封根据结构应变模态的特点及测试方法，建立了微型汽车驱动桥桥壳的动态响应模型，可以计算出任意载荷条件下结构的应变响应，确定疲劳危险点，进而可以进行结构疲劳分析的计算机模拟 10。2）可靠性工程可靠性工程以概率和随机分布为基础，研究各种结构在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。人们对随机现象的研究由来己久，但其在工程中的应用却并非湖 北 汽 车 工 业
17、学 院 毕 业 论 文4相伴而生。传统设计认为材料本身的性能(强度、韧性、硬度等)和所受到的应力都是常量，以此为指导的产品偏于保守。考虑随机性并在设计中引入可靠度，更真实地反映客观现实，由此设计出的产品也更科学合理。现在，一些发达国家设计制造的某些零件，其寿命可以精确到小时，如果没有可靠性计算，是不可想象的。为了使驱动桥的性能更为优良，寿命更加符合人们的要求，包括桥壳、齿轮到半轴的设计都必须将可靠度考虑进去。3）优化算法现代优化算法包括禁忌搜索算法、模拟退火算法、遗传算法和拉格朗日松弛算法等。这些算法涉及生物进化、人工智能、数学和物理学、神经系统和统计力学等概念，是以一定的直观基础构造的算法，
18、称之为启发式算法。启发式算法的兴起与计算复杂性理论的形成有密切关系。当人们不满足于常规算法求解复杂问题时，现代优化算法开始体现其作用。将优化算法引入驱动桥及其各元件的设计，可以减小部件体积、节省材料、优化传动结构、优化传动零件的参数，使其设计更趋于科学合理。4）虚拟仿真虚拟现实是计算机相关技术中的重要课题，继多媒体技术之后，正日益引起驱动桥厂商及开发设计部门的高度关注。这不仅因为它的概念、理论及设备新颖，而且一经实现就表现出了强大的生命力，展示出极具应用前景的态势。其中最有代表性的软件是ADAMS( Automatic Dynamic Analysis of MechanicalSystem)
19、软件，是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真分析软件 (现已被MSC 公司收购)。它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。1.3 ANSYS 软件介绍1.3.1 概述湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文5ANSYS 公司由 John Swanson 博士创立于 1970 年，总部位于宾夕法尼亚州的匹兹堡，ANSYS 软件是该公司的主要产品，它是集结构、热、流体、电磁、声学既相互耦合分析于一体
20、的大型通用有限元软件，可广泛地应用于核工业、铁道石油化工、航空航天、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、日用家电等一般工业及科学研究。ANSYS 程序不但功能强大，应用范围很广，而且其直观形象化的图形用户界面（GUI）及优秀的程序构架使其易学易用。该程序使用了基于 Motif 标准的 GUI，可方便地访问 ANSYS 的多种控制功能和选项。通过 GUI 可以方便地交互访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考资料。同时该软件提供了完整的在线说明和状态途径的超文本帮助系统，以协助有经验的用户进行高级应用 11。1.3.2 ANSYS 的主要模块及功能
21、1）ANSYS 的处理器ANSYS 按功能可分为若干处理器：包括 1 个前处理器、N 个求解器、2 个后处理器，几个辅助处理器如优化处理器等。ANSYS 前处理器用于生成有限元模型，指定随后求解中所需的选择项；ANSYS 求解器用于施加载荷及边界条件，然后完成求解运算；ANSYS 后处理提供了强大的后处理功能，使用户很方便地获得分析结果。其功能包括：结果的彩色云图，等值线图，梯度，矢量，粒子流，切片，透明现实，变形及动画显示，BMP、PS、TIFF 、IIPGL、WMF 等格式图片的输出与交换；计算结果的排序、检索、列表及数字运算；其他功能还包括优化功能、子结构、子模型等。2）ANSYS 的分
22、析功能ANSYS 软件的分析功能包括结构分析、非线性分析、电磁分析、谐波分析、瞬态分析、响应谱分析、随机振动分析和屈曲分析。非线性分析包括材料非线性分析、几何非线性分析和状态非线性分析。热分析包括稳态热分析、瞬态热分析、相变分析、和热- 结构耦合分析。电磁场分析包括静态电磁场，低频时变电磁场和高频时变电磁场分析。耦合场分析包括热-结构、热-磁、磁-结构、流体-热、流体-结构、热-电等。3）ANSYS 与 CAD 及 CAE 软件的接口ANSYS 可提供于大多数的 CAD 软件的接口，例如Pro/E、UG、CATIA 、IDEAS、Solid-Works 等，可直接读取这些 CAD 文件的图形或图
