本科毕业论文- 某载货车驱动桥壳有限元分析.doc

毕业论文设计题目 某载货车驱动桥壳的有限元分析 学生姓名 学 号 20101044 专业班级 车辆工程10-2班 指导教师 院系名称 机械与汽车工程学院 2014年6月3日 目 录摘要1Abstract 21绪论21.1 课题研究的背景和意义31.2 桥壳有限元分析国内外研究现状41.2.1桥壳结构分析国内外研究现状41.2.2 桥壳轻量化国内外研究现状51.3研究内容与技术路线62 驱动桥壳的相关介绍及力学计算72.1驱动桥壳简介72.2 驱动桥壳的受力计算82.2.1最大垂向力工况92.2.2最大牵引力工况102.2.3最大制动力工况112.2.4最大侧向力工况112.3本章小结123 驱动桥壳几何模型与有限元模型的建立133.1 驱动桥壳几何模型的建立133.2 有限元分析方法153.2.1 有限元分析简介153.2.2 有限元分析在汽车设计中的应用173.2.3 ANSYS简介183.3 ANSYS中建立桥壳的有限元模型194 驱动桥壳的静力分析234.1几种典型工况下的静力分析234.1.1最大垂向力工况234.1.2最大牵引力工况244.1.3最大制动力工况254.1.4最大侧向力工况264.2本章小结275驱动桥壳的模态分析285.1ANSYS模态分析285.2驱动桥壳的自由模态分析295.3驱动桥壳的约束模态分析315.4本章小结346驱动桥壳的轻量化设计346.1轻量化方案的确定356.2改进后模型的有限元分析356.2.1改进后桥壳的静力分析356.2.2改进后桥壳的模态分析366.3本章小结377总结与展望387.1本文的主要内容387.2后续研究展望38谢辞39参考文献40 某载货车驱动桥壳有限元分析摘要：汽车驱动桥壳是汽车上的关键部件之一,不仅是承载件与传力件,同时也是主减速器、差速器及半轴等装置的外壳。汽车驱动桥壳必须具有足够的强度、刚度、动态特性和疲劳寿命。本文以有限元静态分析、动态分析及机械结构优化设计理论为基础，以某载货车的驱动桥壳为研究对象，综合运用了CAD、CATIA等工程绘图软件和ANSYS等有限元分析软件，完成了从驱动桥壳三维建模，有限元分析到轻量化设计的整个过程。首先建立了驱动桥壳的三维简化模型和有限元模型。然后在最大垂向力工况、最大牵引力工况、最大制动力工况和最大侧向力工况等四种典型工况下对桥壳进行了静力分析,得到桥壳在四种典型工况下的应力分布和变形情况；对桥壳进行模态分析,得到桥壳在自由状态下的前12阶固有频率和振型及在约束状态下的前6阶固有频率和振型；对驱动桥壳进行了优化设计，在保证桥壳强度和刚度合格的条件下减少了材料的用量。 关键词：驱动桥壳；有限元；静力分析；动态分析；轻量化 Finite Element Analysis of Vehicle Drive Axle Shell Abstract :Automobile drive axle shell is one of the key components of the car.It not only serves as the load-bearing and force-transmitting part,but also the crust of the main reducer,differential,driving half shaft and some other devices.Automobile drive axle shell must have enough strength, stiffness, dynamic characteristics and fatigue life.Based on the theories of FEM static analysis,modal analysis and mechanical structure optimization,this thesis completed the the whole process from three-dimensional modeling, finite element analysis to the lightweight design of the drive axle shell by using CAD 、CATIA and ANSYS。Firstly，the simplified three-dimensional model and finite element model of the drive axle shell were constructed.Then the stress distribution and deformation in four typical loading cases were obtained in the static analysis,in which the drive axle shell worked in the conditions of the maximum vertical force,the maximum traction force,the maximum braking force and the maximum lateral force.The modal analysis was also performed , the 1th to 12th natural frequencies under the free condition and 1th to 6th natural frequencies under the constraint condition were measured.Finally,in order to reduce the consumption of material,the design of the drive axle shell was optimized on the condition that its strength and stiffness were qualified.Keywords：drive axle shell；FEM；static analysis；modal analysis；lightweight 1 绪论1.1 课题研究的背景和意义驱动桥壳在汽车上是关键的传力件和承载件，它与从动桥壳一同支承各总成重量，承受车轮传来的来自路面的反作用力和力矩。驱动桥壳在汽车传动系统中处于末端，作为主减速器、差速器和驱动车轮等传动装置的外壳，它对汽车传动系统起到了保护作用。汽车驱动桥壳使用频率很高，使用工况复杂，故障率较高。驱动桥壳的设计和生产质量直接关系到到整个车辆的使用性能1。因此，必须要求汽车驱动桥壳具有足够的强度、刚度和疲劳寿命。另外，合理地设计驱动桥壳，不仅可以提高材料利用率，降低成本，改善车辆的燃油经济性，还能有效提高汽车的平顺性和舒适性。在设计汽车驱动桥壳的过程中，最重要的任务和要求就是在保证驱动桥壳具有足够的强度、刚度、动态特性和疲劳寿命的情况下，采用合理的结构，减轻驱动桥壳的重量，提高材料的利用效率，减少材料的消耗。汽车行驶条件复杂，工作环境多变，设计和生产驱动桥壳涉及到包括材料、力学、工艺和试验等多个学科在内的广泛领域2。目前，国内相当一部分驱动桥壳制造商普遍采用力学简化计算与经验设计相结合的方法对桥壳进行结构设计。同时，使用整车道路行驶试验、台架试验等各种实验方法来校核其应力、变形量和疲劳寿命是否满足要求。这样设计出来的驱动桥壳，往往采用传统材料，用料多，重量大，结构的静强度往往很富裕，而可靠性却没有把握。这导致车辆的材料成本增加，油耗高，排放污染严重，综合使用性能差，与安全、节能、环保的发展方向背道而驰。随着汽车工业技术和计算机技术的迅猛发展，分析仿真技术高效率低成本的优势日益凸显，在汽车设计中发挥了重要的作用。ANSYS、Hypermesh等各种有限元分析软件成为了CAE技术广泛应用的工具。通过建立汽车驱动桥壳的有限元仿真模型，对其进行静态分析、模态分析、疲劳寿命分析和结构优化，可以进一步修正模型，使驱动桥壳在满足强度、刚度、动态特性和疲劳寿命等要求的同时，最大限度的减轻重量，减少材料消耗3。运用有限元分析软件（如ANSYS软件）对驱动桥壳进行分析，可以缩短产品开发周期，降低开发成本，在保证产品质量的同时实现轻量化。有限元分析方法带来的经济效益十分可观。以某载货车的驱动桥壳作为研究对象，使用有限元仿真软件ANSYS对桥壳进行全面的分析和校核，以确保桥壳在各种复杂工况下都能安全使用4。这不仅能够解决企业在设计和生产过程中的实际问题，为企业对其产品的设计、制造、检验和优化改造提供实际的参考和指导，还能够帮助企业提高产品的设计水平，缩短产品的开发周期，降低产品的开发成本，为企业在提高核心竞争力方面提供思路和方法，具有较大的实际意义和经济价值。同时，随着油气资源趋于枯竭，环境污染问题日益突出，节能减排越来越受到全社会的重视。降低燃油消耗，减少废气排放成为汽车工业研究的热点5。汽车轻量化是节能环保的有效措施，而作为载货车重要构件的驱动桥壳的轻量化设计更是研究的重点。运用有限元分析软件（如ANSYS软件）对驱动桥壳进行分析，可使驱动桥壳在满足强度、刚度、动态特性和疲劳寿命等要求的同时，最大限度的减轻重量。1.2 桥壳有限元分析国内外研究现状 1.2.1桥壳结构分析国内外研究现状 过去国内为考核桥壳的强度和刚度，主要方法是对桥壳进行台架试验和整车行驶试验，或者使用电测法，在汽车满载行驶于典型路面上时测定桥壳的应力6。但是这种试验的方法只有在生产出桥壳样品时才可使用，具有相当的盲目性和局限性。有限元法是一种新兴的结构计算方法。在国外，上世纪七十年代前后,有限元法就逐渐地应用于汽车零部件的开发和设计工作中7。在日本，汽车驱动桥壳的强度分析也较早地使用了有限元分析方法。 国内也出现很多利用有限元分析软件对驱动桥壳模型并进行强度和刚度计算的例子。借助以计算机技术为核心的现代设计方法使驱动桥壳设计更丰富合理。南京理工大学的孙忠云8在其硕士毕业论文中进行了基于可靠性优化的汽车驱动桥壳设计研究。利用UGNX4.O建立了桥壳的三维模型,把三维模型导入HyperMesh中进行了预处理；在ANSYS中建立了桥壳的载荷和边界条件，在四种典型工况下对桥壳进行了应力分析；在HyperMesh中对桥壳进行了模态分析，获取了其基本的动态特性；在Msc.Fatigue中对桥壳进行了疲劳分析,得到了其疲劳特征。根据可靠性优化的基本理论,对桥壳的关键部位进行了可靠性优化，将桥壳本体的钢板厚度减至10mm。并对桥壳进行了厚度不变的拓扑优化,然后对桥壳进行了自由尺寸优化,通过局部补强的方法使得桥壳的性能达到了设计要求,最后确定了设计方案。 1.2.2 桥壳轻量化国内外研究现状汽车的轻量化，就是在保证汽车的结构强度和安全性能的基础上，最大限度地降低整车质量，以提高汽车的动力性，改善燃油经济性，降低排气污染。汽车轻量化的基本指导思想是在稳步提高汽车性能的条件下，节能化设计各总成零部件，持续优化各车型9。有实验结果表明，在汽车的整车重量降低10%的情况下，汽车的燃油消耗效率就可提高6%8%，汽车轻量化所产生的巨大的经济和环境效益，使其成为现代汽车技术中的热点。汽车轻量化的主要途径是10：在保证规格主参数尺寸基本不变的前提下，持续优化主流规格车型，不断提升整车结构强度，降低材料消耗；采用轻质材料。如铝、塑料、陶瓷、玻璃纤维或碳纤维复合材料等；采用计算机辅助结构设计。如采用有限元分析方法等；采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。其中，当前主要的汽车轻量化措施是采用轻质材料。驱动桥壳质量占整车质量的比重较大，驱动桥壳的轻量化设计对整车的轻量化具有重要的意义。对桥壳进行轻量化设计，一个很重要的方法就是采用CAE技术，在对桥壳进行静力分析，动态分析以及疲劳分析。在仿真的基础上，采用多种优化设计方法，除去多余的材料，提高材料利用率，同时保证桥壳的刚度、强度和疲劳寿命符合要求。近年来,国内研究人员在桥壳轻量化研究方面也做了大量工作。山东大学的吴春虎、李方义11等人在对驱动桥壳进行了静力分析和动态分析之后，在总结驱动桥壳可能存在的问题的基础上，对桥壳进行了结构的优化设计，使用ANSYS优化工具进行迭代运算，将研究对象的质量从开始时的94.94kg降低到91.44kg，减少了3.5kg，质量降低为原质量的96.31%，并且强度和刚度均符合要求。这有效地节省了原料，为企业创造了可观的经济效益。目前，与国外的汽车轻量化研究相比，国内的轻量化研究主要存在一下几个方面的不足： （1）运用结构优化和轻量化技术指导实际设计和生产的意识薄弱，产生的有效经济效益的能力较弱。 （2）轻量化技术研究存在过多的重复性工作，创新性的设计方法较少。 （3）过度依赖经验设计,或者按照主观经验修改部件尺寸参数,仅仅校核静态条件下的强度和刚度就确定方案，对疲劳寿命和可靠性的研究较少，盲目性大。1.3 研究内容与技术路线本课题研究目标是学习ANSYS软件，掌握有限元分析方法，对某载货车的驱动桥壳进行静态和动态分析，并对该驱动桥壳进行优化设计。主要研究内容包括以下六部分: （1）通过三维绘图软件CATIA建立某型号载货汽车驱动桥壳的几何模型，通过适当的简化，将简化后的几何模型导入ANSYS中。 （2）对桥壳在四种典型工况下进行受力分析,确定桥壳在各工况下的约束和受载情况。 （3）对模型进行网格划分、网格修改、材料属性定义、施加约束载荷,建立驱动桥壳的有限元模型。 （4）在有限元软件中驱动桥壳进行强度、刚度和模态分析，验证桥壳的强度与刚度是否符合各项要求,通过仿真结果得到桥壳的危险工况和危险区域。 （5）参考桥壳的分析结果,对总体应力相对较大的最大垂直载荷工况下的桥壳模型进行结构优化分析,通过减小桥壳局部的厚度来实现桥壳的轻量化设计。 （6）将优化后的驱动桥壳与轻量化之前的桥壳各个指标进行对比,确认轻量化设计方案的可行性。 图1.1 有限元分析流程图 2 驱动桥壳的相关介绍及力学计算2.1 驱动桥壳简介驱动桥壳是汽车上关键部件之一，既是传力件又是承载件。它与从动桥壳一同支承各总成重量，承受车轮传来的来自路面的反作用力和力矩。驱动桥壳是驱动桥中主减速器、差速器和半轴的保护装置，是汽车的直接承载部件12。汽车驱动桥使用频率高，使用工况复杂，故障率高。足够的强度、刚度和疲劳寿命对驱动桥壳至关重要。另外，驱动桥壳设计的合理性，还取决于能否提高材料利用率，降低成本，改善车辆的燃油经济性。另外，对于不同类型的汽车，应选择相应的桥壳型式。 图2.1 汽车驱动桥壳驱动桥壳的结构型式主要有可分式桥壳，整体式桥壳和组合式桥壳三种。其中整体式桥壳强度和刚度较大,主减速器拆装调整方便，适用的货车类型较广。由于制造工艺不同，整体式桥壳又可分为铸造整体式、钢板冲压焊接式和钢管扩张成形式三种。本文所研究的对象即为钢板冲压焊接整体式桥壳13。钢板冲压焊接整体式桥壳由桥壳本体、凸缘、半轴套管和钢板弹簧座等组成。桥壳本体由钢板冲压而成，桥壳本体与凸缘之间，凸缘与半轴套管之间均采用焊接的方式相连接。桥壳的实物图如下所示： 图2.2 桥壳实物图对于中型货车，钢板冲压焊接整体式桥壳相对于铸造整体式桥壳具有刚度大，节省材料等优点，近年来应用越来越广泛。以下是可锻铸铁铸造的整体式和钢板冲压焊接整体式两种中型载货汽车驱动桥壳的经济性对比。 表2.1 中型载货汽车驱动桥壳结构方案经济性分析 桥壳结构形式桥壳称重/N废屑称重/N材料价格/%工厂成本/%可锻铸铁铸造的整体式桥壳813.4215.6100100钢板冲压焊接整体式桥壳637495267半轴是驱动桥内主要的传动装置,根据半轴在轮端的受力情况不同,半轴可以分为两种类型,即全浮式和半浮式。半轴在轮端安装形式不同，相应的驱动桥壳的受力情况也不一样。本文中半轴釆用的支承型式是全浮式。 半浮式半轴 全浮式半轴 图2.3 半轴的支承型式2.2 驱动桥壳的受力计算在不同的工况下，驱动桥壳的受力情况不同。我国通常推荐四种典型工况用于驱动桥壳的受力分析，分别是最大垂向力工况、最大牵引力工况、最大制动力工况和最大侧向力工况，并认为在这四种工况下能够满足各项指标的桥壳是合格的。 2.2.1 最大垂向力工况桥壳如同一个空心横梁，两端经轮毂轴承支承于车轮上。在钢板弹簧座处桥壳承受汽车的簧上载荷，沿左右车轮的中心线，地面给轮胎以反力，桥壳则承受此力与车轮重力之差值，即，计算简图如下： 图2.4 桥壳静弯曲应力计算 桥壳按静载荷计算时，在其钢板弹簧座之间的弯矩M为 (2-1) 式中: 汽车满载静止于水平地面时驱动桥给地面的荷载,N； 车轮(包括轮毅、制动器在内)的重力,N; B 驱动车轮轮距,m; S 驱动桥壳上两钢板弹簧座中心间的距离,m； 通常由于远小于且设计时不易准确计算,一般情况下可以忽略不计。则静弯曲应为: (2-2) 式中： M 见式（2-1）； 危险断面处（钢板弹簧座附近）桥壳的弯曲截面系数；当汽车在不平路面上高速行驶时,桥壳除承受静止状态下那部分载荷外,还承受附加的冲击载荷。不考虑切向力和侧向力,在这两种载荷总的作用下,桥壳承受的力为（），桥壳所产生的弯曲应力为 （2-3）式中： 动载荷系数,对轿车、客车取1.75;对载货汽车取2.5;对越野车取3.0; 桥壳在静载荷下的弯曲应力,MPa； 2.2.2 最大牵引力工况不考虑侧向力，以汽车做直线行驶的情况进行计算。下图为汽车以最大牵引力行驶时的受力简图。（设地面对后驱动桥左右轮的垂向反力相等） 图2.5 最大牵引力行驶时的受力简图 （2-4） 式中：汽车满载静止于水平地面时给地面的总载荷； 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： （2-5）式中：发动机最大转矩，； 变速器一档传动比； 驱动桥的主减速比； 传动系的传动效率； 驱动车轮的滚动半径； 2.2.3 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2.6 汽车紧急制动时的受力简图则 （2-6）式中：g重力加速度，m/s2 a制动加速度，m/s2因，故制动加速度a为 a=g （2-7）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0.75.由上面两式，可求得桥壳的垂向力和纵向力。 2.2.4 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。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2-7 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 (2-8) 其中，取地面的最大侧向力系数。 则左右车轮的支承反力为 (2-9) (2-10) 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： (2-11)其中，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。2.3 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。 3 驱动桥壳几何模型与有限元模型的建立3.1 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3.1 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 1850.8mm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11.00-25（直径1125mm）主减速比5.37后板簧中心距1030mm发动机最大功率154.5kw（2100r/min）发动机最大扭矩584.5Nm（1300r/min）汽车最高行驶速度80km/h变速器传动比i1=7.640 i2=4.835 i3=2.857 i4=1.895 i5=1.337 i6=1桥壳自重155.6kg桥壳型式整体冲焊式 驱动桥壳的CAD结构如图： 图3.1 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 3.2 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： 图3.3 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1850.8mm，则左右半轴套管上距中间平面925.4mm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3.4 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。3.2 有限元分析方法 3.2.1 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。 图3.5 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。 图3.6 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%。 3.2.2 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。 3.2.3 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）。 图3.7 ANSYS14.5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。3.3 ANSYS中建立桥壳的有限元模型有限元模型的建立是对驱动桥壳进行有限元分析的第一步，主要工作包含将CATIA建立的三维模型导入到ANSYS中、划分网格、添加材料属性和施加约束和载荷等。建立驱动桥壳的有限元模型需进行如下步骤：（1） 导入三维模型。启动ANSYS，使用import命令将建好的三维模型导入ANSYS中。导入的模型如下： 图3.8 导入后的几何模型（2） 进行网格划分网格划分是建立有限元模型的一个十分重要的环节，所划分的网格将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，划分网格时应明确下列问题20： （1)网格数量：网格数量的多少将直接影响到计算的精度和规模。当网格数量增加时，计算精度一般会有所提高，但同时计算规模也会增加。当网格数量增到达一定规模后，继续增加网格数量对于提高精度的影响很小，但会极大地增加有限元分析的计算时间。静力分析中，若仅仅考虑变形，可以划分较少的网格，若要计算应力，则需要划分较多网格；动态分析时，如果仅仅计算较低模态，网格数量可以少一些，如果要计算更高阶模态，应增加网格数量。(2)单元阶次：高阶单元指的是具有二次或三次形式的单元。高阶单元具有节点数多，精度更高的特点。如果结构、应力分布或变形较为复杂，可以优先选用高阶单元。但高阶单元的节点数较多，会增大分析的计算规模。(3)网格疏密：为了适应数据的分布特点，可以在结构的不同位置采用大小不同的网格。在结构的危险部位以及应力较为集中或变化较快的部位，可将网格划分密集一些；而在结构的非关键部位及应力变化较小的部位，可以将网格划分得稀疏一些。(4)网格质量：网格质量指的是网格几何形状的合理性。网格质量的好坏对计算精度的影响很大，质量太差的网格可能会导致计算中断。因此，在网格划分以后应该检查网格，一般要求不合格的网格数量应控制在总网格数量的1%以内较为合理。对于本文中讨论的驱动桥壳，选取solid185和solid187两种实体单元。对于较为规则的实体模型，优先选用六面体单元进行划分，既能提高计算精度，同时也能减小计算规模。对于结构较复杂的实体模型，若采用六面体单元划分，可能会使单元退化影响精度，所以一般选用四面体单元划分。半轴套管部位的结构较为规则，采用solid185六面体单元划分，可以提高计算精度，节省计算资源。桥壳本体部位的结构和钢板弹簧座等部分的形状较为复杂，采用solid187四面体单元进行划分。同时，希望半轴套管和板簧座处的网格稠密一些，桥壳本体部分的网格稀疏一些，在划分网格时，对这些地方的网格大小进行尺寸控制，可以达到要求。经过网格划分，该模型共有单元38348个，节点16346个。其中，不合格的网格数量控制在了总网格数的1%以内，在可接受的范围之内，对计算精度的影响不大。所划分的网格如下如下： 图3.9 桥壳网格划分（3）定义材料属性。关于桥壳材料，铸造整体式、可分式及组合式桥壳的铸件多采用可锻铸铁（KT350-10，KT370-12）、球墨铸铁（QT400-18）、铸钢（ZG45，多用于重型汽车的桥壳铸件）；对于钢板冲压焊接整体式桥壳，多采用16MN、09SIV、35或40中碳钢板。半轴套管多采用40Cr，40MnB等中碳合金钢或者45中碳钢的无缝钢管或锻件。本文中的驱动桥壳采用的材料如下表： 表3.2 桥壳的材料属性名称材料弹性模量（Pa） 泊松比密度（Kg/m3）屈服应力(MPa)桥壳本体16Mn2.08e110.317840345半轴套管40Cr2.1e110.37900650在ANSYS中定义单元的材料属性。（4） 施加载荷与约束。施加载荷和约束对计算结果的准确性影响很大。应该在仔细分析桥壳受力特点和约束形式的基础上施加载荷和约束。 施加载荷，应准确分析不同工况下桥壳受力形式的特点。本文中涉及的载荷形式主要是集中力、扭矩和均布载荷。 前面已经就汽车的四种典型工况对桥壳进行了静力计算，得到了桥壳的受力状况。相应的，可以针对不同的典型工况对桥壳施加载荷。约束的添加也十分重要，一方面，要添加足够的约束，防止模型发生刚性位移，同时，要力求简单直观，便于分析和计算。本文按下表对驱动桥壳模型施加载荷和约束： 表3.3 各工况下桥壳的加载方式与约束条件工况加载方式约束条件最大垂向力工况垂向力加载到两板簧座上，方向垂直于板簧座约束桥壳一端轮距处节点X、Y、Z方向的平动，约束另一端轮距处节点的Y、Z方向的平动最大牵引力工况垂向力和纵向力均作用在板簧座上，垂向力垂直于板簧座，纵向力沿汽车运动相反的方向约束桥壳两端轮距处节点Y、Z方向的平动，约束桥壳中间节点X方向的平动最大制动力工况垂向力和纵向力作用在板簧座上，垂向力垂直于板簧座，纵向力沿汽车运动方向，制动力矩作用于凸缘上约束桥壳两端轮距处节点Y、Z方向的平动，约束桥壳中间节点X方向的平动最大侧向力工况垂向力作用在板簧座上，侧向力作用于侧滑一端轮距处的节点上约束桥壳一端轮距处节点X、Y、Z方向的平动，约束桥壳一端轮距处节点Y、Z方向的平动， 4 驱动桥壳的静力分析静力分析计算在固定不变的载荷作用下的结构效应，它不考虑惯性和阻尼的影响，是有限元分析中最基础的分析，本章将分析驱动桥壳在四种典型工况下的应力和变形规律，找出桥壳潜在危险位置，为桥壳的结构优化提供参考和依据。本章将根据第二章分析得到的的驱动桥壳的受力情况和表3.3中的加载和约束方式对驱动桥壳进行静力分析。 4.1 几种典型工况下的静力分析 在静力分析得到的结果中， Mises 应力分布云图和等效位移分布云图根据桥壳不同部位的等效应力的大小和等效位移的大小，将桥壳的不同部位附上不同的颜色。这样就可以根据颜色区域的分布情况简单明了的查看桥壳的应力分布情况和变形情况。云图上还标出了最大应力和最大等效位移的大小和发生的位置，这为校核桥壳的强度和刚度提供了参考。另外，ANSYS还允许查看桥壳上特定位置处的应力大小，这为分析焊缝处的强度情况提供了方便。4.1.1 最大垂向力工况当汽车在不平的道路上行驶时，取2.5倍的满载载荷对驱动桥壳进行加载，经ANSYS计算可得 Mises 应力分布云图和等效位移分布云图： 图4.1 Mises 应力分布云图 图4.2 等效位移分布云图在模型两侧板簧座上加载垂直向下载荷，在静载荷下，最大应力发生在左侧半轴套管的轮距处，大小为335MPa，半轴套管变截面处存在一定的应力集中现象，应力值在145MPa至335MPa之间，远小于半轴套管屈服强度。桥壳本体部分，板簧座附近的应力值较大，位于74MPa至149MPa之间，远小于桥壳本体的屈服强度。桥壳的最大等效位移为1.035mm，满足轮距变化小于1.5mm/m的条件。4.1.2 最大牵引力工况汽车以最大加速度加速行驶时，在板簧支座处加载垂直向下的载荷和水平向后的载荷,ANSYS计算可得 Mises 应力分布云图和等效位移分布云图： 图4.3 Mises 应力分布云图 图4.4 等效位移分布云图加速工况下，最大应力发生在左右轮距处，为214MPa，远小于半轴套管的屈服应力。桥壳中部和板簧座附近应力较为集中，但都在143MPa以下，远小于桥壳本体的屈服强度。桥壳较大等效位移发生在桥壳中部，最大等效位移为1.44mm，满足轮距变化小于1.5mm/m的条件。4.1.3 最大制动力工况汽车以最大制动强度制动时，在板簧支座处加载垂直向下的载荷和水平向前的载荷，在凸缘上施加制动力矩，ANSYS计算可得 Mises 应力分布云图和等效位移分布云图： 图4.5 Mises 应力分布云图 图4.6 等效位移分布云图 汽车紧急制动时，最大应力发生在左右轮距处，大小为184MPa，远小于半轴套管的屈服强度。桥壳本体部分的应力均较小，在123MPa以下，远小于桥壳本体的屈服强度。桥壳的较大等效位移集中于桥壳中央，最大等效位移是1.6mm，满足轮距变化小于1.5mm/m的条件。4.1.4 最大侧向力工况本文中汽车的质心较高,所以在发生侧滑之前就已经侧翻,即汽车所能承受的最大侧向力时就是汽车的将要侧翻的状态,此时一侧车轮的垂直载荷为零,所有的垂直载荷由另一侧车轮承受,车桥