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中型卡車驅動橋殼設計及有限元分析 摘 要 本課題的研究內(nèi)容是對中型卡車的驅動橋殼進行設計校核并運用軟件對驅動橋殼進行有限元分析。中型卡車廣泛作為載貨汽車使用，在日常生活中處處可見，而驅動橋殼作為汽車結構一個重要的部件，負責支承汽車重量，容易發(fā)生危險面應力過大和扭轉變形等故障，從而影響汽車的功能和使用時間，所以驅動橋殼的設計在車輛行業(yè)的設計要求中是很關鍵的一步。通過對驅動橋殼的設計校核，可以有效改善汽車的性能指標，并且可以進一步提升汽車的使用壽命。 本設計依據(jù)參考文獻，以機械設計與汽車設計理論為基礎，將軟件和有限元分析軟件交互運用，完成了如下工作任務：首先，決定了驅動橋的總體設計方案，為接下來橋殼設計提供各項參數(shù)；其次對驅動橋殼進行設計并對其在多工況下進行受力和強度校核，確定設計的橋殼是否符合標準；然后應用三維設計軟件對橋殼進行簡化并建立幾何模型，將幾何模型導入到有限元分析軟件10.0中生成最終的分析模型；最后運用軟件對最終的模型進行分析計算，求出橋殼在多工況下的應力和變形結果，并作出橋殼應力圖和位移圖，同時對橋殼進行模態(tài)分析，驗證設計結果是否符合標準。 關鍵詞： ANSYS；驅動橋殼；有限元分析；模態(tài)分析 ABSTRACT The design of the medium-sized truck drive axle housing design and finite element analysis. Medium-sized trucks are widely used as trucks, which can be seen everywhere in daily life. Driven axle is an significant part of automobile composition. It is responsible for supporting the weight of automobile, prone to excessive stress and torsional deformation. And the service life, so the design of the axle housing is a key step in car design. By optimizing the design of the drive axle housing, the axle housing can provide good and stiffness, thus effectively improving the performance of the car, and can improve the service life of the car. This design is based on the reference to the mechanical design and automotive design theory, based on software and finite element analysis combined to complete the following design tasks: Firstly, the overall program of the driving axle is determined, and the parameters are provided for the next axle housing design. Secondly, the driving axle housing is designed and its force and strength are checked under multiple operating conditions to determine whether the designed axle housing conforms And then use the three-dimensional design software to simplify the bridge shell and establish the geometric model, the geometric model into the finite element analysis software 10.0 to generate the final analysis model; Finally, the software used to analyze the final model, Stress and deformation results under multiple operating conditions, and make the bridge shell stress map and displacement diagram, while the modal analysis of the bridge shell to verify whether the design results meet the standard. Key words: ANSYS; Drive axle housing; Finite element analysis; Modal analysis II 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 目 錄 I 1 緒 論 1 1.1 選題背景目的及意義 1 1.2 國內(nèi)外研究狀況 1 1.3 設計主要內(nèi)容和研究工作 3 2 驅動橋的總體方案確定 4 2.1 總體方案設計 4 2.2 驅動橋形式的確定 5 2.3 半軸形式的確定 5 2.4 本章小結 6 3 驅動橋殼的設計 7 3.1 鑄造整體式橋殼的結構 7 3.2 橋殼的靜彎曲應力計算 7 3.3 本章小結 14 4 驅動橋殼模型的建立 15 4.1 Pro/E的簡介： 15 4.2 驅動橋殼模型的建立 15 4.3 本章小結 19 5 驅動橋殼的有限元分析 20 5.1 驅動橋殼的靜力分析 20 5.2 各工況的ANSYS分析過程詳述 22 5.3 ANSYS應力和位移分析結果 23 5.4 驅動橋殼模態(tài)分析 33 5.5 ANSYS模態(tài)分析結果 35 5.6 本章小結 36 6 結 論 37 參考文獻 38 附錄1：外文翻譯 39 附錄2：外文原文 42 致 謝 46 中型卡車驅動橋殼設計及有限元分析 1 緒 論 1.1 選題背景目的及意義 驅動橋殼是汽車上重要的承載件和傳力件。驅動橋殼支承汽車重量, 并將載荷傳給車輪。作用在驅動車輪上的牽引力、制動力、側向力、垂向力也是經(jīng)過橋殼傳到懸掛及車架或車廂上。因此, 驅動橋殼的使用壽命直接影響汽車的有效使用壽命。合理地設計驅動橋殼, 使其具有足夠的強度、剛度和良好的動態(tài)特性, 減少橋殼的質量, 有利于降低動載荷, 提高汽車行駛的平順性和舒適性。驅動橋殼的常規(guī)設計方法是將橋殼看成一個簡支梁并校核幾種典型計算工況下某些特定斷面的最大應力值, 然后考慮一個安全系數(shù)來確定工作應力, 這種設計方法有很多局限性。因此近年來, 許多研究人員利用有限元方法對驅動橋殼進行了計算和分析，并利用有限元分析軟件ANSYS對某型貨車上使用的整體式驅動橋殼改進[1]。 1.2 國內(nèi)外研究狀況 汽車驅動橋殼既是承載零件, 也是傳力部件, 同時又是主減速器、差速器及驅動車輪傳動裝置( 如半軸)的外殼。在汽車行駛過程中, 橋殼承受繁重的載荷, 設計時必須考慮在動載荷下橋殼有足夠的強度和剛度。為了減小汽車的簧下質量, 以利于降低動載荷、提高汽車的行駛平順性, 在保證強度和剛度的前提下應力求減小橋殼的質量。橋殼還應結構簡單、制造方便, 以利于降低成本。 過去我國主要是通過對橋殼樣品進行臺架試驗和整車行駛試驗考核橋殼強度和剛度。有時還采用在橋殼上貼應變片的電測方法，讓汽車在典型路段上滿載行駛，以測定橋殼的應力。這些方法只有在有橋殼樣品的情況下才能使用，而且需要付出相當大的人力、物力和時間。 日本五十鈴公司曾采用略去橋殼后蓋，將橋殼中部安裝主減速器處的凸包簡化成規(guī)則的環(huán)形的簡化方法，用彈性力學進行應力和變形的計算。彈性力學計算方法本身雖精確，但由于對橋殼的幾何形狀作了較多的簡化，使計算結果受到很大的限制。 通常情況下，設計橋殼時多采用常規(guī)的設計方法，將橋殼看成是一簡支梁，校核某些特定斷面的最大應力值。例如，日本有的公司對驅動橋殼的設計要求是在2.5 倍滿載軸荷的作用下，彈簧座處、橋殼與半軸套管焊接處、輪轂內(nèi)軸承根部圓角處各斷面的應力不應超過屈服極限。我國通常推薦將橋殼復雜的受力狀況簡化為四種典型的計算工況： （1）汽車滿載以較高車速在不平路面行駛受到?jīng)_擊載荷和受最大的垂直載荷工 況； （2）汽車滿載傳遞最大牽引力工況； （3）汽車緊急制動承受最大制動力工況； （4）汽車最大側向力工況。 在這四種典型工況下，只要橋殼的強度得到保證，就認為該橋殼在汽車的各種行駛條件下是可靠的。 傳統(tǒng)的橋殼強度的計算方法，只能近似計算出橋殼某一斷面的應力平均值，不能完全反映橋殼上應力及其分布的真實情況。因此，這種方法僅用于對橋殼強度的驗算，或用來與其它車型的橋殼強度進行比較，而不能用于計算橋殼上某點的真實應力值。 有限單元法是近三四十年隨著計算機的發(fā)展而發(fā)展起來的用于各種結構分析的數(shù)值計算方法，在一定的前提條件下，它可以計算各種機械零件的幾乎所有幾何部位的應力和應變。由于有限元法能夠很好地模擬零部件的實際形狀、結構、受力和約束，因此，其計算結果更精確，也更接近實際，可以作為設計、改進零部件的依據(jù)。同時，可以利用有限元分析的結果進行多方案的比較，有利于設計方案的優(yōu)化和產(chǎn)品的改進。有限元法解決了過去對復雜結構作精確計算的困難，改變了傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計方法，有限元軟件已經(jīng)成為一個廣為接受的工程分析工具[2]。 目前國外有限元方法在汽車分析中得到了廣泛的使用，有限元分析除了汽車結構的強度、剛度計算外，還在車身的結構的摸態(tài)分析、操縱穩(wěn)定性分析、整車振動分析、傳熱分析（如汽缸、汽缸蓋在氣室燃燒時的溫度分布）、空氣動力學分析等各方面發(fā)揮著重要的作用[3]。在國外，二十世紀七十年代前后，有限元方法逐漸在汽車橋殼的強度分析中得到應用。例如，美國的機械研究所、萬國汽車公司等，都曾經(jīng)使用有限元法計算過橋殼的強度[4]。 我國工程使用有限元分析方法起步較晚，但是發(fā)展較快,特別是近十年來,有限元分析方法在工程中特別是在汽車領域的應用也變得越來越廣泛，也取得了一些成果。如東南大學的羊扮，孫慶鴻等應用ANSYS軟件對影響驅動橋殼強度和剛度的因素進行了研究，并進行了產(chǎn)品結構優(yōu)化設計。優(yōu)化后的橋殼本體厚度由8mm降至7mm，質量減輕了4.2千克[5]。 東風汽車公司技術中心的唐述斌，谷莉按經(jīng)驗對EQ1090E汽車的后橋橋殼厚度進行減薄，然后通過計算和試驗進行校核，取得了減重8Kg的效果[6]。 從國內(nèi)的研究現(xiàn)狀可以看到，國內(nèi)對橋殼的有限元分析雖然做了很多工作，但是與國外的研究相比有較大的差距，主要表現(xiàn)在多是按照經(jīng)驗修改主要部件的尺寸參數(shù)，往往只校核在靜態(tài)工況下的強度和剛度；在橋殼的設計過程中使用有限元分析軟件指導設計的應用范圍較小，往往只是幾個大的集團公司采用了這種先進的設計方法，大部分中小企業(yè)還未能將其應用于實際生產(chǎn)過程中[7]。 1.3 設計主要內(nèi)容和研究工作 1、設計內(nèi)容 依據(jù)主要技術指標確定橋殼的類型，對其結構進行設計，并計算相應參數(shù)尺寸，對主要結構尺寸進行校合，有限元技術在ANSYS中對橋殼進行強度校核，對其應力分布和變形分布狀況進行研究，驗證設計的合理性。 2、研究工作 （1） 橋殼的設計 1) 橋殼的受力分析 2) 橋殼的靜彎曲應力計算 3) 各種工況下橋殼強度的校核 （2） ANSYS軟件分析驗證 （3） 利用CAD軟件繪制橋殼圖紙。  2 驅動橋的總體方案確定 本設計對中型卡車的驅動橋殼進行設計并進行有限元分析，在進行設計之前，首先要確定總體方案。 2.1 總體方案設計 圖2.1 中型卡車外形結構圖 圖2.2中型卡車外形尺寸圖 該種中型卡車的發(fā)動機類型為，額定功率為，最大扭矩為。 變速器型號為，各檔速比為；；；；；；。 減速器的型號是噸級單級減速器，主減速比為。 差速器形式采用直齒錐齒輪式。 車輪型號為，滾動半徑為，輪距為,鋼板彈簧中心距。 2.2 驅動橋形式的確定 本設計驅動橋的傳動比為5.430，小于6。由于我國對車輛性能要求越來越高，并且道路越來越好，中型卡車驅動橋基本上采用單級驅動橋，單級驅動橋有結構簡單、傳動速比小、平整公路適應性高、可靠性高等優(yōu)點。 因此本設計選用單級驅動橋。 2.3 半軸形式的確定 全浮式半軸工作可靠性高，且半軸與橋殼之間沒有直接聯(lián)系，有利于半軸的拆卸和更換，因此廣泛用于中型卡車上。 根據(jù)所選車型及設計要求，所以本設計采用全浮式半軸。 2.4 本章小結 本章首先對所選車型的各項參數(shù)進行敘述，根據(jù)中型卡車的設計要求確定了變速器、減速器、差速器等部件型號，然后根據(jù)主減速比確定了驅動橋形式，根據(jù)車型確定了半軸形式。綜上所述，本設計采用單級驅動橋、全浮式半軸、鑄造整體式橋殼的總體方案。  3 驅動橋殼的設計 3.1 鑄造整體式橋殼的結構 如圖3.1所示，為本設計所采用驅動橋的結構。 圖3.1 鑄造整體式橋殼與半軸連接結構圖 采用該種類型橋殼的優(yōu)勢在于可塑性好，強度及剛度較好；缺點是制造起來比較繁瑣，且鑄造設備成本大。 3.2 橋殼的靜彎曲應力計算 橋殼受該種力時計算簡圖如下圖所示。 圖3.2 計算簡圖 橋殼兩支撐板彈簧座之間受到的彎矩為 () 式中：——滿載時的質量，。 ——輪胎質量，。 ——輪胎中心距離，。 ——兩支撐板彈簧座中心距離，。 普遍情況下因為遠小于，且進行設計時很難準確得出，因此當無準確數(shù)據(jù)時可以忽略不計，此時彎矩為： 忽略不計時，靜彎曲應力為 （） 公式（）中：為橋殼垂向危險截面的彎曲系數(shù)。 支撐板彈簧座附近的截面圖如圖4.3所示，其中，。 圖3.3截面圖 垂向危險截面彎曲系數(shù): = 水平危險截面彎曲系數(shù): = 扭轉系數(shù): = 橋殼在危險斷面的形狀使用圓形管強度比較好，因此本設計在橋殼危險斷面的形狀使用圓形管狀。 根據(jù)公式（）可得，靜彎曲應力 3.2.1 在不平路面最大垂向載荷下的橋殼強度計算 橋殼所產(chǎn)生的彎曲應力為 （） 式中：——受力系數(shù)，取。 ——彎曲應力，。 根據(jù)公式（）： 3.2.2 以最大牽引力行駛時的橋殼強度計算 該種工況下汽車的受力情況，如下圖所示。 圖3.4受力簡圖 左右輪胎受到地面的最大切向反作用力為： （） 公式（）中： ——汽車受到的最大轉矩，。 ——變速器處于檔時的傳動比，。 ——減速器的主減速比，。 ——傳動結構的效率，。 ——車輪半徑，。 根據(jù)公式（4.3）計算可得 此時后驅動橋橋殼在左、右鋼板彈簧座之間的垂向彎矩為 () 根據(jù)公式（）可得： = 式中：——取。 驅動橋殼承受水平方向的彎矩 為 （） 根據(jù)公式（）可得： 圖3.5 汽車緊急剎車時的受力簡圖 兩支承板彈簧座間橋殼受到的轉矩為 () 公式（）中： ——汽車受到的最大轉矩，。 ——變速器處于檔時的傳動比，。 ——減速器的主減速比，。 ——傳動結構的效率，。 根據(jù)公式（3.7）計算可得： 根據(jù)、、可求出橋殼在危險截面處的合成彎矩： () 根據(jù)公式（）可求出該處的合成應力為： == () 橋殼許用彎曲應力為。 許用扭轉應力為。 3.2.3 汽車緊急剎車時的橋殼強度計算 汽車在行駛過程緊急剎車時的受力情況，如圖所示。 圖3.6 汽車緊急剎車時的受力簡圖 驅動后橋的受力簡圖如圖所示，根據(jù)圖可求得橋殼垂向彎矩及水平方向的彎矩分別為： （） = （） 其中： ——； ——輪胎與地面的附著系數(shù)，一般取，在本文?。? 根據(jù)公式（）、（）計算可得： = 圖3.7 汽車緊急剎車時驅動后橋的受力情況 驅動后橋承受的轉矩為： （） 根據(jù)公式（）計算可得： 所以可根據(jù)公式（），（）計算出和分別為： 3.2.4 汽車受最大側向力時橋殼的強度計算 汽車向右方發(fā)生滑動時受力情況如圖所示。 所以該工況下驅動橋受力情況應滿足： （3.13） 公式（3.13）中： ——來自側方的力矩； ——左、右輪胎所受反力。 ——滿載時的質量，為。 ——車輪側面的附著系數(shù)，為。 向右滑動時，左、右輪胎受到的反力為： （） （） 式中：——滿載時幾何中心的高度，為。 ——輪胎中心的距離，為。 圖3.8 汽車向右方滑動時受力簡圖 向右滑動時，左、右輪胎沿行駛方向受到的支承力分別為: （） （） （） （） 其中：——車輪半徑，為。 ——滿足關系。 受地面反力、可由下式求得： （） （） 在本設計中，取。如圖4.10所示為汽車向右側滑時驅動橋殼所受垂直力及彎矩，套管套在半軸上，其危險斷面處的彎矩為： （） 公式（）中： ——軸承的中心到其內(nèi)部的距離，為。 圖3.9 汽車向右方滑動時驅動橋殼受力及彎矩 根據(jù)圖3.9計算可得，和分別為： （） （） （） 根據(jù)上述計算結果，半軸處的受力大小都小于，滿足設計要求。 許用彎曲應力為，許用扭轉應力為，根據(jù)計算結果，各個工況下的校核結果均在指標之內(nèi)，所以設計符合要求。 3.3 本章小結 本章選擇的橋殼形式為整體式橋殼，并對其進行受力分析和計算，同時對各工況下的橋殼強度進行校核，經(jīng)檢驗，各個工況下橋殼的受力和強度均符合設計要求。  4 驅動橋殼模型的建立 驅動橋殼模型的建立是強度和剛度校核的基礎，也是有限元分析的重要過程[8]。 4.1 Pro/E的簡介： 是美國公司設計的軟件。年，的問世。軟件問世至今，一直是參數(shù)化建模領域的領先者，是很多從事應用的企業(yè)的第一選擇，隨著建模要求的不斷提高，正在轉型，向直接建模方向發(fā)展，在建模領域取得更大的突破[9]。 4.2 驅動橋殼模型的建立 創(chuàng)建橋殼模型的詳細步驟如下所示： （1）打開軟件，選擇“新建”，做出圖4.1所示的選擇。 圖4.1對話框圖 （2）設置單位制,如圖4.2所示。 圖4.2 單位制選擇圖 （3）在PRO/E界面中，利用拉伸命令完成橋殼主體的創(chuàng)建,如圖4.3所示。 圖4.3 橋殼主體 （4）利用倒圓角功能實現(xiàn)圓弧過渡,如圖4.4所示。 圖4.4 圓弧過渡 （5）選擇如圖所示基準面，利用拉伸命令的去除材料功能完成中間空的創(chuàng)建 ,如圖4.5所示。 圖4.5 去除材料完成 （6）利用拉伸命令的去除材料功能完成主減速器橋殼內(nèi)圓弧表面的創(chuàng)建,如圖4.6所示。 圖4.6 內(nèi)圓弧面 （7）利用倒圓角功能，完成兩個內(nèi)表面的圓弧過渡,如圖4.7所示。 圖4.7 內(nèi)表面過渡 （8）利用基準軸工具，確定橋殼的橫向中心軸線L1。 （9）利用旋轉命令，以L1為中心軸生成一端部分,如圖4.8所示。 圖4.8 一端半軸 （10）利用鏡像命令完成另一端的創(chuàng)建,如圖4.9所示。 圖4.9 兩端半軸 （11）利用基準軸工具，確定橋殼的橫向中心軸線L2 （12）利用旋轉工，以L2為中心軸生成橋殼后蓋,如圖4.10所示。 圖4.10 后蓋 （13）利用拉伸命令去除材料功能完成螺栓孔的創(chuàng)建,如下兩圖所示。 圖4.11 法蘭盤螺栓孔 圖4.12 橋殼中央螺栓孔 （14）利用多步拉伸命令，創(chuàng)建橋殼的彈簧座,如圖4.13所示。 圖4.13 彈簧座 （15）完成橋殼幾何模型，如圖4.14所示。 圖4.14 橋殼模型 （16）將完成后的橋殼圖形文件保存成功，使用接口串聯(lián)的指令，將橋殼模型導入到軟件中如圖4.15。 圖4.15 橋殼的有限元模型 4.3 本章小結 本章節(jié)選用Pro/E作為創(chuàng)建模型的軟件，對橋殼模型進行了一些簡化以便于接下來的分析計算，選擇拉伸、去除材料等指令完成橋殼模型的創(chuàng)建，既保留了橋殼的總體結構不變，又減少了計算，為ANSYS分析打下基礎。  5 驅動橋殼的有限元分析 軟件涉獵極廣，作為大型CAE分析軟件，由美國公司開發(fā)，可應用于機械制造行業(yè)、化工行業(yè)、航海業(yè)、土木行業(yè)等眾多行業(yè)的分析研究。軟件功能強大，具有廣泛的分析能力，一體化的處理技術，完善的分析體系[10]。 5.1 驅動橋殼的靜力分析 本章將驅動橋殼在車輛行駛過程中的受力情況簡化為以下四種工況進行計算[11]： （1）最大垂向力工況 （5.1） 式中：，——彈簧座所受載荷。 ——滿載時載荷，為。 ——為。 因此根據(jù)公式（）計算可得： == （2）最大牽引力工況 左、右輪胎受到地面的垂向反作用力分別為，且相等，則 （） 公式（）中： ——滿載時質量，。 ——汽車幾何中心的高度，。 ——軸距，。 ——重心到前軸的距離，。 ——輪胎受到的最大反力，。 ——汽車受到的最大轉矩，。 這時最大牽引力為： （） 公式（）中： ——變速器處于檔時的傳動比，。 ——減速器的主減速比，。 ——傳動結構的效率，。 ——車輪半徑，。 根據(jù)公式（）和（），通過計算可得左、右輪胎受到地面的垂向反作用力為： == 最大牽引力為： 。 （3）最大制動力工況 左、右輪胎受到地面的垂向反作用力分別為，且相等，則： （） 公式（）中：——減速加速度，為 汽車緊急剎車時，最大制動力大小為： （） 式中：——取。 ——輪胎附著系數(shù)，取。 本文在進行計算時和均取。 根據(jù)公式（）和（），通過計算可得左、右輪胎受到地面的垂向反作用力為： == 最大制動力為： 。 （4）最大側向力工況 驅動橋向右滑動需滿足： （） 公式（）中： ——來自側方的力矩； ——左、右輪胎所受反力。 ——滿載時的質量，為。 ——車輪側面的附著系數(shù)，為。 根據(jù)上述，支承反力為： （5.7） 此時驅動橋承受的側向力為： （5.8） 根據(jù)上述內(nèi)容，將參數(shù)代入到公式和中，根據(jù)公式，求得反力分別為： 此時驅動橋承受的側向力為 。 5.2 各工況的ANSYS分析過程詳述 1、Preprocessor模塊 點擊單元類型 選擇 l l l 命令，彈出對話框選擇 10 92。 定義材料屬性 選擇 l lProps l 彈出對話框選擇 l l l,在彈性模量值處填入“”，泊松比填入“”。 點擊網(wǎng)絡劃分工具 生成網(wǎng)格 選擇 l l命令，將模型網(wǎng)絡劃分。 圖5.1網(wǎng)格劃分 3、模塊 選擇添加約束 l l lApply l l l 。 賦予面載荷 l l l l l ，輸入壓力值 求解 選擇Menu l lSolve l LS命令 5.3 ANSYS應力和位移分析結果 在ANSYS的求解模塊（Simulation）中進行求解（Solve）,完成計算后，在的結果頁面就可以看到各個工況下驅動橋殼的應力和變形情況[8]。 本設計中橋殼的材料為球墨鑄鐵，其許用應力為，汽車驅動橋臺架實驗評價指標規(guī)定滿載軸荷時每米輪距最大變形量不超過[12]，由于本橋殼輪距為，所以允許的最大變形為。 5.3.1 沖擊載荷工況分析結果 約束加載完成后如圖5.2。 圖5.2 沖擊載荷工況前處理完成圖 經(jīng)過求解后便可得到以下云圖5.3、5.4和列表5.1、5.2。 （a）應力云圖一 （b）應力云圖二 （c）應力云圖三 （d）應力云圖四 圖5.3 沖擊載荷工況應力云圖 （a）位移云圖一 （b）位移云圖二 （c）位移云圖三 （d） 位移云圖四 圖5.4 沖擊載荷工況位移云圖 表5.1 沖擊載荷工況應力列表 單位：MPa NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 7718 254.82 16.669 5.3090 249.51 244.03 3061 250.17 13.810 1.5041 248.66 242.74 5303 250.15 14.508 8.9934 241.16 238.45 3012 249.58 11.084 -0.25262 249.83 244.36 3805 246.47 16.603 4.0589 242.41 236.39 14050 238.63 25.320 11.466 227.17 220.57 144 227.48 16.808 1.0656 226.41 218.96 5323 226.19 12.743 3.5205 222.67 218.20 13968 224.95 13.709 3.6161 221.33 216.46 3027 218.60 17.895 5.1589 213.45 207.37 表5.2 沖擊載荷工況位移列表 單位：mm NODE UX UY UZ USUM 80 -1.6335 -0.95333E-03 -0.32740E-02 1.6335 2808 -1.6332 -0.10073E-02 -0.34110E-02 1.6332 7456 -1.6331 -0.10453E-01 -0.26999E-02 1.6332 2809 -1.6331 -0.99405E-02 -0.27154E-02 1.6331 2807 -1.6331 -0.12070E-02 -0.33969E-02 1.6331 3019 -1.6331 0.75825E-02 -0.40088E-02 1.6331 79 -1.6331 -0.13954E-02 -0.33885E-02 1.6331 2858 -1.6329 -0.88460E-02 -0.28476E-02 1.6329 2810 -1.6328 -0.21132E-01 -0.20346E-02 1.6329 3018 -1.6327 0.18869E-01 -0.44437E-02 1.6329 在ANSYS應力變形結果中取應力比較大的10個節(jié)點，如上表3.2所示，可得應力值最大為，小于許用應力。在ANSYS應力變形結果中取位移比較大的10個節(jié)點，如上表3.3所示，位移最大的節(jié)點為1.633mm，而由于本橋殼輪距為，即允許的最大變形為，所以本工況下的位移變形量符合標準。 5.3.2 最大牽引力工況載荷約束的添加與結果分析 網(wǎng)格劃分與定義材料情況與沖擊載荷工況相同。 約束加載完成后如圖5.5。 圖5.5 最大牽引力工況前處理完成 經(jīng)過求解可得到云圖5.6、5.7和列表5.3、5.4。 （a）應力云圖一 （b）應力云圖二 （c）應力云圖三 （d）應力云圖四 圖5.6 最大牽引力工況應力云圖 （a）位移云圖一 （b）位移云圖二 （c）位移云圖三 （d）位移云圖四 圖5.7 最大牽引力工況位移云圖 表5.3 最大牽引力工況應力列表 單位：MPa NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 1776 -3.9216 -46.885 -265.68 261.76 243.14 2092 -34.947 -55.188 -243.07 208.13 198.78 9358 -24.000 -34.400 -183.25 159.25 154.32 9831 -24.685 -38.496 -181.48 156.80 150.37 2093 -12.125 -24.964 -163.53 151.41 145.42 9553 -10.230 -42.509 -161.63 151.40 138.12 1766 -31.808 -79.259 -160.47 128.66 112.69 9342 0.20798 -36.956 -157.21 157.42 142.52 71 -34.239 -52.056 -157.15 122.91 115.04 2102 -28.540 -64.448 -150.86 122.32 108.90 表5.4 最大牽引力工況位移列表 單位：mm NODE UX UY UZ USUM 6148 0.84334 0.24707 0.87288 1.2386 6149 0.84244 0.25507 0.87105 1.2383 6147 0.84386 0.23454 0.87484 1.2379 6150 0.84117 0.25809 0.86941 1.2370 6146 0.84398 0.21809 0.87684 1.2364 6151 0.83955 0.25572 0.86803 1.2344 6145 0.84371 0.19847 0.87881 1.2343 7605 0.84114 0.23009 0.87257 1.2336 7608 0.84228 0.21044 0.87597 1.2333 7607 0.84180 0.21623 0.87483 1.2332 在ANSYS應力變形結果中取應力比較大的10個節(jié)點，如上表3.4所示，可得應力值最大為，小于許用應力。在ANSYS應力變形結果中取位移比較大的10個節(jié)點，如上表3.5所示，位移最大的節(jié)點為，而由于本橋殼輪距為，即允許的最大變形為，所以本工況下的位移變形量符合標準。 5.3.3 最大制動力工況載荷約束的添加與結果分析 網(wǎng)格劃分能與定義材料與沖擊載荷工況相同。 約束加載完成后如圖5.8。 圖5.8 最大制動力工況前處理完成 經(jīng)過求解處理后得到云圖5.9、5.10和列表5.5、5.6。 （a）應力云圖一 （b）應力云圖二 （c）應力云圖三 （d）應力云圖四 圖5.9 最大制動力工況應力云圖 （a）位移云圖一 （b）位移云圖二 （c）位移云圖三 （d）位移云圖四 圖5.10 最大制動力工況位移云圖 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 1403 0.52961 -26.378 -220.22 220.75 208.60 1366 0.44125 -20.684 -179.30 179.74 170.16 9832 -14.069 -32.481 -163.66 149.59 141.29 11581 -9.7975 -36.791 -156.81 147.01 135.54 9341 -12.122 -42.265 -135.53 123.41 111.44 28 -21.038 -52.926 -131.34 110.31 98.319 29 -28.641 -52.685 -131.01 102.37 92.714 9359 -14.787 -25.330 -130.09 115.30 110.41 14 -23.176 -48.854 -128.45 105.28 95.075 9814 8.2786 -20.616 -127.23 135.51 123.62 表5.5 最大制動力工況應力列表 單位：MPa 表5.6 最大制動力工況位移列表 單位：mm NODE UX UY UZ USUM 6118 0.84718 -0.69299E-03 -0.57261 1.0225 6119 0.84869 0.19482E-01 -0.56998 1.0225 6117 0.84523 -0.20451E-01 -0.57487 1.0224 6120 0.84968 0.39315E-01 -0.56709 1.0223 6116 0.84292 -0.39124E-01 -0.57671 1.0221 6121 0.85011 0.58043E-01 -0.56403 1.0218 6115 0.84034 -0.56223E-01 -0.57809 1.0215 6122 0.84992 0.74910E-01 -0.56092 1.0211 6114 0.83744 -0.71775E-01 -0.57899 1.0206 6123 0.84913 0.89194E-01 -0.55789 1.0199 在ANSYS應力變形結果中取應力比較大的10個節(jié)點，如上表3.6所示，可得應力值最大為，小于許用應力。在ANSYS應力變形結果中取位移比較大的10個節(jié)點，如上表3.7示，位移最大的節(jié)點為，而由于本橋殼輪距為，即允許的最大變形為，所以本工況下的位移變形量符合標準。 5.3.4 最大側向力工況載荷約束的添加與結果分析 網(wǎng)格劃分能與定義材料與沖擊載荷工況相同。 約束加載后如圖5.11所示。 圖5.11側滑工況前處理完成 求解后可得云圖5.12、5.13和列表5.7、5.8。 （a）應力云圖一 （b）應力云圖二 （c）應力云圖四 （d）應力云圖四 圖5.12 側滑工況的應力云圖 （a）位移云圖一 （b）位移云圖二 （c）位移云圖三 （d）位移云圖四 圖5.13 側滑工況的位移云圖 表5.7 側滑工況位移列表 單位：mm NODE UX UY UZ USUM 6152 1.6171 0.44763 0.10769 1.6814 6151 1.6212 0.43147 0.10990 1.6813 6153 1.6135 0.45483 0.10660 1.6798 6150 1.6246 0.40946 0.11280 1.6792 372 1.6092 0.45634 0.10618 1.6760 6149 1.6272 0.38284 0.11624 1.6757 7615 1.6175 0.41184 0.11209 1.6729 7618 1.6147 0.42326 0.11053 1.6729 7616 1.6200 0.39867 0.11386 1.6722 7614 1.6118 0.42753 0.10984 1.6712 表5.8 側滑工況應力列表 單位：MPa NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 13462 260.33 21.216 5.8637 254.46 247.14 17581 244.81 16.540 3.1811 241.63 235.24 3825 244.79 15.791 -2.8298 247.62 238.86 3081 244.33 15.736 -1.7610 246.10 237.83 5323 241.25 15.143 3.9275 237.32 231.92 3032 238.93 13.194 2.0498 236.88 231.51 13461 209.75 12.739 -0.79580 210.55 204.11 3082 198.60 6.4709 -9.5668 208.16 200.63 5343 194.14 10.439 2.2088 191.93 187.95 5342 190.57 5.5577 1.6040 188.97 187.02 在ANSYS應力變形結果中取應力比較大的10個節(jié)點，如上表3.8所示，可得應力值最大為，小于許用應力。在ANSYS應力變形結果中取位移比較大的10個節(jié)點，如上表3.9所示，位移最大的節(jié)點為，而由于本橋殼輪距為，即允許的最大變形為，所以本工況下的位移變形量符合標準。 5.4 驅動橋殼模態(tài)分析 1、點擊分析狀態(tài)[13] 選擇 l l 2、Preprocessor模塊 點擊單元類型 選擇 l l l//命令，彈出對話框選擇 。 定義材料屬性，選擇 l lProps l 彈出對話框，點擊右側 l lelastic l,在彈性模量值處填入“”，泊松比填入“”，移步至輸入“”。 生成網(wǎng)格 選擇 l l命令 圖5.14網(wǎng)格模塊劃分 3、模態(tài)分析設置[14] 點擊主菜單 l l lNew 命令，打開 選擇命令內(nèi)容，要求分析種類，選擇“”。 從主菜單中選擇 l l l 命令，打開 對話框，點擊模態(tài)分析命令，選擇“ ”,在. 文本框中輸入，將 設置為 ，在. 文本框中輸入，點擊按鈕。 4、施加邊界條件 添加約束 選擇 l l l l l l 。 5、結果模塊 查看結果 l l l l 點擊結果查看 以表格形式列出 在文本框內(nèi)顯示分析結果 l l 。 5.5 ANSYS模態(tài)分析結果 圖5.15 分析結果 點擊命令查看模態(tài)變形結果 圖5.16 一階模態(tài)變形 圖5.17 二階模態(tài)變形 圖5.18 三階模態(tài)變形 圖5.19 四階模態(tài)變形 圖5.20 五階模態(tài)變形 圖5.21 六階模態(tài)變形 圖5.16所示為一階模態(tài)變形結果,頻率,最大變形值為(相對值);圖5.17所示為二階模態(tài)變形結果,頻率為,最大變形值為(相對值);圖5.18所示為三階模態(tài)變形結果,頻率為,最大變形值為(相對值);圖5.19所示為四階模態(tài)變形結果,頻率為,最大變形值為(相對值);圖5.20所示為五階模態(tài)變形結果,頻率為,最大變形值為(相對值); 圖5.21所示為六階模態(tài)變形結果, 頻率為,最大變形值為(相對值)。 本章使用ANSYS對橋殼進行模態(tài)分析，根據(jù)結果顯示，各階模態(tài)橋殼的頻率均在汽車橋殼安全的振動頻率范圍內(nèi)，符合設計標準。 5.6 本章小結 本章對橋殼進行有限元分析，針對的是對橋殼的瞬態(tài)分析，運用軟件對最終的模型進行分析計算，求出橋殼在多工況下的應力和變形結果，并作出橋殼應力圖和位移圖，同時對橋殼進行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)結果符合設計標準。 6 結 論 本文依據(jù)參考文獻，首先決定了驅動橋的總體設計方案，為接下來橋殼設計提供各項參數(shù)，然后對驅動橋殼進行設計并對其在多工況下進行受力和強度校核，確定設計的橋殼是否符合標準，最后應用三維設計軟件和有限元分析軟件10.0對橋殼進行幾何模型建立和有限元分析。通過本次設計，本人對軟件建模的特性有了初步的了解，對計算、分析功能的認知更清晰，充分體會到了軟件對于解決應力和變形問題的方便性和快速性。 本設計的主要內(nèi)容如下: （1）因為本設計的總體方案確定為中型卡車，所以本設計采用鑄造整體式橋殼的形式。 （2）對四種工況下橋殼的受力和強度進行校核，符合標準。 （3）選用Pro/E作為創(chuàng)建模型的軟件，對橋殼結構進行了簡化處理，選擇拉伸、去除材料等指令完成橋殼模型的創(chuàng)建，既保留了橋殼的總體結構不變，又減少了計算。并成功導入，為ANSYS分析打下基礎。 （4）運用軟件對最終的模型進行分析計算，求出橋殼在多工況下的應力和變形結果，并作出橋殼應力圖和位移圖，同時對橋殼進行模態(tài)分析，驗證設計結果符合標準。 綜上所述，本設計設計的橋殼在各個工況下均符合設計要求，切實可用。 參考文獻 [1]黃昶春,韋志林,沈光烈. 驅動橋殼有限元分析模型的改進[J]. 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