（固体力学专业论文）汽车驱动桥桥壳有限元分析.pdf

ab s t r ac t withthe au toin d us t 叮址 ghs peedd evc 1 0 p m en 仁 the 加 。 ct l o n tothc aut o id 0 b 妞 c d e n 口 口 dsln o t e and m o rehi 咧y，thc fe as i b l c trad i t 1 0 n d es i g 超ofthe au to m o b iledrive 喇e h o us ing a lr ca d y 加 v 加，t sa t is fy阮 几 叼 u es t 吐 ia t m od。 旧d esigns . t 七 e c 目 cu la t i o n anai y s ist b a t the el 。 以 印 耐c coid pu橄 即详题 劝g d e v e l o psatfull s pe曰 for 阮 比u 侧 泊 此 d es i gns asw e l 】 as石 心 i te cl cmen t m ethoda 批r b asb ro u ght a b o u t n ew r ev o 】 u ti 吐 s in cethe 司c b o usin g ismai 川 y a 川 ry 川 g and p 山 拙 吨 伪田 卯” 即招ofth e v c hi c 加 ， th e 司e b ous in g 加 口 以 l o n an d fa t i gue l j fe加 扮 c d in 烈加p 别 改 toe ffi 心i v e auto m o b u e use fu l t li d e ， th e 翻e hous 吨 滋 幻 d dh a v esu 伍 d 加 t in t e nsi t y，s l 迁 山 ess an d w e ll dura bl e fa t l 即e p 少 pe rt y . theref( 兀 e ， th e 翻e b ous 吨 d cs i 即5 峨 目 加 to” 刀 p rt 四 c a u t o m obil c s a fe t y ad d th e com fo rtab l e n 。 铭 汕详 成 即 cer a t i o n 山y m c t bo ds. the th e s ism akesusc ofs o li d 即 o rl 沼阳介 w are b u u d in g t b e 3d m冈e lsofl 屯 年b t 月 邓 ，s axleb o us in 乡 usin g a n s y s 研 10 比 卜 翔 比班认5 面u la t cdp l a t fo rm， 即 切 相加 g to the n a t l o n als 加 口 d 田 心of d ri v e 耐。 h o u s in g t es ts ， th r 比 t 抑 留 面c 如ess d ri v e 司e hous in gb ass 汕ul a t edb yf e aon s. 肠 卫 in ， 6. 肠 山 m， 6. s inln inthe com p u t c r ， b 留 加 d u d ed stati c an ai y s i s ， fati guc a n a l ys isandm 倒 halanal y s is别 口 o d gth o . s ta t i c 胡习 ys i s o f resu l t in di ca t e s t b a t th e pe耳 姆 n d i cul 耐t y in t e nsi t y an d 组 ti gue st 比 d 脚 of th e s. 肠 口 川吕 d e b o u s in g isunq u al l fi ed， 6. o in m ， 6 jm ln。 冲 o t y pe、几 d . 加此 in g c 0 in eup to thc nat1 0 n ai s tan山 ar d . fou o w in gthe m 冈目 胡a l y s isr c s u lts ba v c di scov ered thal scnes翻e hous in g na tu r alfr eq u e n 叮5 0 hz， w 川not bee x d 血g with the r o a d s u d 油 ces b ak 加 9 。 既 刀 rr e n ccr 。 幻 . a 口 。all 笋a t e r t 坛 切 . h av e d o n e tbc d e b ous 吨 几 u 眺 an al y s i s co m b in in g withth c p 咧以 . 万 田 叮 pl e 石 目 ally，五 习 m出 p ec t is unquai 沮 edtos ta n be吨 w e l d in g s e a mm ass s yn t b es 说 e the 找 旧 t c a u s e 血d in g out 此 ax lehou s in g s t r 司 匕on th e re su lt b as isan al yz川 9 ， 加 t e gr a t in g an v 颐o us s 如u 刚。 玩 伪m 吨 invalld m u chleading tofatigue fa i l 眼. d 汹 为 v erthe ex te nsion 研in g j a c k ab u ti n e n t and b y the tri ais 加u l a t edcom p u t a t l o n ， be ing ablc toth e 加 t i gue l fe面s in g 14a-b t ype 司e h o u s 吨 h a v in g e ffect 心yw o rds:d ri v e翻ehous 嘛 a n s y s叭 io rk be n c b ; 凡 t l gueana l y sis; m 叼。 1 如目 ysis;fa il u r e anai ysis; 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含 其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 j 复 邑左乞或 其 他 教 育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 手 “ ，嘴 户 勺 争 字 日 期 : 。 川年 、 月 了 。 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解通遏人登 乙有 关 保留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 ， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和 借 阅 。 本 人 授 权 直遏 人堂可以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分内 容 编 入 有 关 数 据 库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 手 ” ，: 冰 小 夕 两 导师签名 签 字 日 期 : 会 007年夕月孙日 一 二 碑 巨 ” ) 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 第一章 绪论 第一章 绪论 汽车驱动桥桥壳的分类和结构特征概述 汽车通常由 发动机、底盘、 车身和电器设备四部分组成。 其中底盘由 传动 行驶系、转向系和制动系四 个系统组成，而汽车驱动桥属于传动系中不可 .p t系 缺少的组成部分。 汽车驱动桥壳是汽车上的主要承载构件之一，其作用主要有:支撑并保护 主减速器、差速器和半轴等，使左右驱动车轮的轴向相对位置固定:与从动桥 一起支撑车架及其上的各总成质量:汽车行驶时，承受由 车轮传来的路面反作 用力和力矩并经悬架传给车架等，驱动桥壳应有足够的强度和刚度且质量小， 并便于主减速器的拆装和调整。由于桥壳的尺寸和质量比较大，制造较困难， 故其结构型式应在满足使用要求的 前提下应尽可能便于制造l 。 驱动桥壳分为整 体式桥壳，分段式桥壳两类11 . ( 1) 整体式桥壳因制造方法不同又有多种形式。常见的有整体铸造、钢板 冲压焊接、中段铸造两端压入钢管、钢管扩张成型等形式. 整体铸造桥壳为增加强度和刚度，两端压入无缝钢管制成的半轴套管。这 种整体铸 造式桥 壳 如图1 . 1 所示川 ， 刚 度大、 强 度高， 易 铸成等强 度 梁形状， 但 因质量大，铸造质量不易保证，适用于中型汽车和重型汽车。 圈 1 . 1东风e q10 锹 ， e 汽车貂动桥壳 l we半抽密，; z es后桥亮; 3 一放油孔; 月 一后桥壳垫片吕 ， - 后盆; 吞 一 抽面孔; ， 一凸缝盘; s se通气塞。 中段铸造两端压入钢管的桥壳质量较小、工艺简单且便于变形，但刚度较 第一章 绪论 差， 适用于批量生产。 钢板冲压焊接式桥壳具有质量小，制造工艺简单、材料利用率高、 抗冲击 性能好、成本低等优点并适用于大量生产。目 前， 在轻型货车和轿车上得到广 泛使用。本课题分析的江铃公司全顺 ( 朴a n sit)高顶单胎 1 4 a . b型桥壳就属于 钢板冲压焊接式桥壳. 钢管扩张成型桥壳广泛应用于轿车和轻型货车。其优点就是材料利用率好， 质量小，强度和刚度高，制造成本低，适用于大量生产。 整体式桥壳具有较大的强度和刚度，且便于主减速器的装配、调整和维修， 因此普遍应用于各类汽车上图 。 ( 2 ) 分段式桥壳 分段式桥壳一般由两段组成，也有三段甚至多段组成的，各段之间用螺栓 连接。如图 1 . 2所示为一两段组成的桥壳，用螺栓连成一体。它主要由 铸造的 主减速器壳、壳盖、两个钢制半轴套管及凸缘组成。 圈1 2 分 段 式 驱动 桥 壳 一 您性; z ee注 油 孔; -主 减速器 壳烦部: 刁 -半轴套 甘; ， 一阅 整姗 母: 6 一 止劝 位片: ， 一 翎爪 娜母; 日 一凸 缘盘; 梦 - 弹资座: 1 介 se 主 减 速幼壳: n 一战 油孔; 班 2 一 生片: 1 3 ee油封门奋 - 盆。 有的分段式桥壳之间可以相对运动，采用独立悬架。分段式桥壳比整体式 桥壳易于铸造， 加工简单，但维修不便。当 拆卸主减速器时，必须把整个驱动 桥从汽车上拆卸下来。分段式桥壳一般用在中型汽车和轻型汽车上，如北京 b j 2 0 2 0 系列汽车。 1 . 2 1 . 2 . 1 国内 外汽车驱动桥桥壳以 分析的研究和发展 国外c 征分析和设计的发展过程、趋势和应用现状 第一章 绪论 从世界上第一辆汽车 d a 汕l e r 旧七 似 问世至今，汽车零件设计己经历了一个 世纪的发展过程。传统汽车工业皆是依据个人的 经验累计而成，同时以经验做 出初步设计，再由此初步的设计去做出原始模型，再做出成品.成品完成后， 便 进 行实 验以 确 保 产品 的 可 靠 性， 而这 种方 法 基 本 上 称为 试凑 法( t i了 胡 d e n 习 r ) ， 即初级成品经测试不能够满足工程或品质上的需求时，再回去修改原设计图， 再作实验品 再进行测试， 。 近年来随着计算机硬件和计算机图形学的发展，特别是计算机辅助工程 ( cae )和有限单元法 ( f e a )的广泛应用，为实现汽车零部件设计、结构强度 分析和模具制造一体化工程提供了条件。基于各种优化设计理论、有限元分析 理论、模态分析理论、可靠性理论、疲劳理论、人工智能理论等形成了 全新的 现代设计方法，利用这种方法指导设计汽车桥壳可减少经验设计的盲目 性和随 意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。 在c ae应用和开发方面有美国洛克希德飞机公司研制的c a d a m系统、法- 国d assault s ys t ems 公司研制开发的c a n a系统、 法国m a 七 a data vi si on公司开 发的e u c l id系统、美国s d r c公司开发的1 一 d e 八 5系统、美国叮c公司推出 的p rq /e n ginee r 系统 及美国uni gr 叩 hi cs公司 研制的ug系统等. 这些系统大 都 运 行在ibm、 d e c 、 v a x 、 a 训110、 s u n 、 s gi等 大中 型 机及工作站上. 美国 通用 汽车公司选中ug 作为全公司的 c 月 d/ c aj困c a 日 c n 以 5主导系统，这进一步推 动了ug的发展。 而波音、 索尼、 三星、 现代、 福特等公司均是s d r c公司i- d e 六 5 系统的 大客 户和 合 作伙伴tj ， 奔驰、 本田 、 丰田 、 现 代、 克莱斯勒、 奥 迪、 菲 亚 特、嘎斯、保时捷、沃尔沃、雷诺、大众、 宝马等多家汽车公司采用了 c a t i a 系统解决方案目 。 在汽车驱动桥桥壳结构计算方面，日 本五十铃公司在略去桥壳后盖，将桥 壳中部安装主减速器处的凸包简化成规则环形的前提下，应用弹性力学方法进 行了桥壳应力和变形计算。 弹性力学计算方法本身虽精确， 但由 于对桥壳的 几 何形状作了 较多的 简化，使计算结果受到限 制. . 等等事实说明了 这些大量依托几何建模三维设计软件为主体的现代设计方 法和计算机数值计算能力的 不断提升同时促使了 c ae和有限元技术的 长足发展。 以 a n s y s 、 a 丑 a q u s ，ms c m are，m s c n as t 片 田 ， s u p e r s a j， 等为代表的有限 元分析软件早已 活跃在全球各行各业中，给工业企业产品研发带来巨大的经济 效益，这已 成为不争的事实。 将 “ 基于物理样机试验的传统设计方法”带入基 第一章 绪论 于“ 虚拟样机仿真的现代设计方法” 。 大幅缩短产品开发周期，降 低成本，提高 企业竟争力。 汽车行业的产品设计虽然只占 产品整个成本的5 %， 但它却影响产品整个成 本的70%。 潜在的问 题越早地得到解决， 设计的成本与 周期的降 低效果越明显。 根 据 德国 汽车 工 业 所 做的 研 究t7) ， 如果 汽 车 某 部 件 有 个 缺陷 在 概 念设 计阶 段 被发 现， 则改正这个缺陷的费用是 1 个单位; 如果这个缺陷在详细设计阶段被发现， 则改正这个缺陷的费用将是10个单位;如果是在建造模型样机的时候出现了问 题， 则改正这个缺陷的费用将是 1 00个单位; 如果缺陷是在生产过程中被发现， 则改正这个缺陷的费用将提高到1000个单位。以 上结果表明， 在产品设计的 早 中期阶段发现设计缺陷，进行修改的风险最小，引起的损失也最低。 因此，今后有限元分析的发展趋势应该提前到概念设计阶段，在零部件设 计阶段就应该进行有限元分析。通过计算机仿真可有效缩短新产品的开发研究 周期。虚拟样机的引入减少了实体模型的实验次数同时大幅度的降低了产品的 研发成本， 在精确的分析结果下制造出高 质量的产品，并能 够对设计变更做出 快速反应，及时投入生产。 近 20 年来，以有限元分析为代表 c a 石作为现代设计手段已 成为汽车工业 设计分析的发展新趋势，也是应用领域最广的实用技术之一，它推动了汽车和 其他制造业的发展。这一新技术及其应用水平也已成为衡量一个国家工业生产 和现代化程度的重要标志。 1 . 2 ， 2 国内 汽车驱动桥桥壳c ae分析的发展和研究现状 我国 早在20世纪70年代就开始对c a d / c a m的 研究，到了20世纪80年 代我国 进行了大规模的c a d / c a m技术的研究与开发。20世纪9 0 年代，随着 “ 863/c n 以 5 ” 计划的推进， 北京航空航天大学、清华大学、 华中理工大学等一 批高校和科研院所相继推出 研究成果。比如由北京高华计算机有限公司推出的 高华c a d产品、北京北航海尔软件有限公司开发和销售的c a x a电子图板和 c a x a m e制造工程师软件、 由 广州红地技术有限公司开发的 基于s t e p 标准开 发的金银花( 劫苗 优口 ) 系统、华中理工大学机械学院开发开目c a d系统等等。 同时， 国外的各种c a d / c 川 困c a e 软件如 auto d e s k 、 r 旧 旧、 u g 、 c 汕a t r o n 、 soli dwo r ks、 s o li d edge、 m as te 尤a m 、 c a n a 等先后进入我国 市场。 整合在 c a d / c a m 软件中的有限 元软 件也得到了国内 用户的重视，比 如c a fl a 中的有限 第一章 绪论 元分析程序、 soli d w o r ks中的 c o s m o s 有限元分析软件、 u g 中的c a 卫 分析系统 等等。 a n s y s 、人 丑 a o u s ，s u 甲 e r s 冉 夕 ， ms c .marc ，ms c .n a s t ra n ，等专门的 大型有限元分析软件也被国内用户所接受，并广泛应用运用于实际工程中。国 内 众多专家学者对汽车驱动桥桥壳进行了 有限元分析。 19 95年国内 的 郑建 新、 赵六 奇t81 介绍了 法国5 以 认公 司 指定的 关于驱动桥桥 壳强度校核方法; 应用a l g o lf es软件对5 叫ac l l6转向 驱动桥桥壳进行了 静强 度有限 元分析， 得出了 在三种载荷情况下的最大应力出 现处. 在驱动 桥桥壳失 效分 析这块陈 效华、 刘心文 阅 针对某微 型汽 车驱动 桥样件 在 进行强检时出现桥壳断裂的现象，以有限元的基本理论为依据，利用面向 特征 建模方法，建立了该驱动桥三维几何模型和有限元分析模型。根据解算结果， 该车桥在桥壳局部出现明显应力集中区域: 通过改变桥壳局部结构和受力，局部 应力明显降低; 将改进后样件进行实际装车试验， 未出现桥壳断裂现象。 在桥壳的弹 塑性非线形有限 元分析方面 有李玉河10 等对我国 生 产的一种汽 车后驱动桥桥壳进行了大位移、大应变弹塑性有限元模拟分析，求得了加载点 的载荷位移变化曲线、最大应力点的弹塑性应变、 载荷变化曲线、危险截 面的弹塑性应力、载荷变化曲线、危险截面达到全面屈服时的屈服载荷等， 为 汽车后桥的强度评价及疲劳寿命估算提供了有关数据。 南京林业 大学的 郑燕萍， 羊纷llj 利用ans ys 软件， 按国 家 驱动桥壳台 架试 验 的 标准， 在计算机中 采用有限 元方法模拟其垂直弯曲刚度试验、垂直弯曲 静强度 试验和垂直弯曲疲劳试验。分析结果表明用有限元模型模拟台架试验的方法是 可行的， 能实现在设计阶段对试验结果有效的 预测。 在对桥壳进 行质 量目 标 优化设 计方面， 羊纷， 孙庆鸿叫 等 应用ansys软件 对影响驱动桥壳强度和刚度的因素进行了 研究，并进行了产品结构优化设计。 优化 后的桥壳 本体 厚度由8 画降 至7 哑， 质量 减轻了4 . z k g 书. okg. 还有文献【 13、14、15、16 的作者根据汽车振动及有限 元理论和模态分析 原理，阐述了结构应变模态的特点及测试方法，利用先进的有限元分析软件 州s ys 建立桥壳的 有限元动态响 应模型， 计算出 任意载荷条件下结构的应变响 应， 确定疲劳危险点，进而可进行结构疲劳分析的计算机模拟， 并进行了有限 元的 模态分析和瞬时动态分析及强迫振动分析， 找出了 最大动应力的出 现位置， 得出了 大量的计算分析数据， 验证了 有限元方法的正确性， 其中文献【 1 4 以 汽车 后桥为例，研究了 杂交系统的动力学分析问题，推出了 其振动微分方程，并用 第一章 绪论 有限元法建立了 其动力学分析模型。利用该模型可对汽车后桥系统进行了 模态 分析和动力响应分析。 我国 在驱动桥壳设计环节中， 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、改进以及优化设计 提出可行的措施和建议。 1 . 3本课题的工程背景及研究意义 江铃集团旗下的 肠胡 sit全顺品牌汽车是江铃汽车与福特汽车合作精心研制 的高品质商用车。由 于该车型是和f o r d 欧洲版肠 阳sit车为设计原形，欧洲的路 况比较好， 整车在使用时也不超载， 加上该车的 悬架系统的减振性能很好， 因 此， 该桥壳在各项指标均达标，路试也通过， 在欧洲完全能够满足使用要求。 当该车型引进到中国后， 中国的具体情况与欧洲的情况有很大的不同， 路况 比较差， 给桥壳的冲击载荷较大: 所以， 在使用时经常有用户反映该型桥壳的刚 度小， 造成桥壳 变形甚至疲劳 破坏开裂失效的 情况也时有发生;该车桥壳据售后 维修中心反映，部分桥壳未过保修期出现桥壳开裂现象，导致整个桥壳必须更 换。江铃公司研发技术中心针对该车的驱动桥桥壳问题进行了驱动桥台架试验、 材料强度试验、疲劳强度试验和焊接强度试验等一系列试验，试图寻求解决如 何延长后桥壳耐久寿命这一课题的有效途径。 对于驱动桥桥壳这样几何形状与组成、加工工艺与工序等都比较复杂的机 械零部件， 由于受载后的应力分布，疲劳性能一般不太容易通过标准试件的试验 得到， 理论计算也难以 把各种工艺条件等都反映 在其分析模型中。因 此在它们的 制造过程中 ， 为了 保证一些关键工艺的 质量( 如冲压质量、 焊接质量等)， 往往规 定要定期从生产线中随 机抽取样品进行实 物桥壳的垂直弯曲刚度、 弯曲 静强度、 疲劳等一系列试验. 根据各种试验中出现的 应力集中 位置、疲劳裂纹位置、 长 度来判别、 认可产品的制造质量。 这是一个反复修改 和调整的过程， 费时费 力。 如果在设计或检测过程中 ， 建立驱动桥壳的 有限元模型， 在计算机上模拟相关试 验， 再通过小 部分 抽样实 验， 则 会使设计 和 检测过 程缩短， 减少抽样数目 ， 降 低 生产成本， 产生较好的经济社会效益。 第一章 绪论 1 . 4本文的主要研究内容和技术路线 1 . 4 . 1本文的主要研究内 容 第一阶段，建立江铃全顺汽车 1 4 a . b系列驱动桥桥壳的参数化三维模型， 桥壳厚度分别为5. o m m、 6. o tn m 、 6. s rnm 三种厚度通过适当 简化成为有限 元计算 模型。 第二阶段，根据国家标准q 口t533 一 1 9 99 汽车驱动桥台架试验方法的 规定和材料试验数据， 利用 a n s ys 研 lo r k ben ch进行三种厚度桥壳的垂直弯曲 刚 度分析、垂直弯曲静强度分析、疲劳分析等，并与实际试验结果进行对比。在 此基础上，对该桥壳深入分析其随机震动疲劳和模态形式. 第三阶段，根据台架试验的相关规范和材料试验数据结合有限元的分析结 果，再对其中5. o m m厚度进行失效分析，找出失效机理，最后提出该桥壳的改 进方案，重新进行有限元分析验证，以 供设计部门 作为参考理论依据. 1 . 4 . 2技术路线流程图 第一章 绪论 1 . 5小结 本章主要介绍了驱动桥桥壳的分类和结构特征，并介绍了国内 外关于驱动 桥桥壳的以e 分析以及桥壳设计发展的过程、趋势和应用现状.联系工程实际提 出了 本课题的 研究意义是:在设计和生产检测过程中， 如建立驱动桥壳的有限元 模型， 在计算机上模拟相关试验， 再通过小部分抽样实验，则会使设计和检测过 程缩短， 减少抽样数目，降 低生产成本， 能够产生巨大的经济社会效益。 而本课题的主要目的是研究14 a 一 b 型桥壳在台架试验中的受力特征和疲劳 寿命，分析其在台架试验中断裂的根本原因，最终提出该系列驱动桥桥壳的改 进方案，以 供设计部门 作为参考理论依据。 研究的技术路线流程是:构建1 4 a 一 b 系列不同厚度的驱动桥桥壳三维模型， 再结合国家台架试验规范，以ans ys w ork b ench协同仿真平台为分析平台，进行 桥壳的静强度、疲劳和模态分析。最后在有限元分析结果上，对其台架实验中 疲劳断裂的 桥壳进行失效分析， 找出 该系列桥壳的薄弱点， 进行改进， 并计算 验证改进效果。 第二章 有限元基本方法和有限元模型 第二章有限元基本方法和桥壳有限元模型 2 . 1 2 . 1 . 1 有限元基本方法及其计算工具简介 有限元方法及其理论 在19世纪， 有限元方法的思想已 经作为一种数值求解方法被提出 来了 浏. 然而求解需要的巨大计算工作量，超过了当时人们能够承受的能力。所以 这种 方法当时并没有实际应用的可能性。在20世纪中期开始，电子计算机技术的出 现和迅速发展为人们提供了巨大的数值计算能力。在此基础上，人们重新对有 限元法开始实际应用的研究。20世纪50年代，工程师首先利用有限元技术对飞 机结构进行了分析.从此，有限元法开始进入了工程实际应用阶段。 有限元法的分析步骤分为结构的离散化、单元分析、整体分析三步。 有限元法是利用分割近似的原理，把连续结构分离成有限各子结构，再在 子结构上寻找出 满足一定精度要求的近似解。 单 元 分 析 的 任 务 就 是 确 定 单 元 荷 载 向 量 f. 和 单 元 结 点 位 移 向 量 氏 之 间 的 单 元 刚 度 矩 阵 k. 卜它 们 之 间 的 关 系 如 下 : 1 汽 = 人 氏 ( 2 1 ) 若 已 知 氏 卜我 们 还 可 以 求 得 单 元 应 变 向 量 。 和 单 元 应 力 向 量 a 卜 e = 【 丑 氏 ( 2 2 ) 其 中 ， i b 为 几 何 矩 阵 。 。 卜 【 5 氏 ( 2 3 ) 其 中 ， 1 5为 应 力 矩 阵 。 卜【 众 1 ， ( 2 4 ) 式 中 : 。 a ，。 ，a :二 。二 ，:二 二 r ， e 二e ， 。 二; 二 ， ， :， 。 1 【 几 为 弹 性 矩 阵 第二章 有限元基本方法和有限元模型 1 一 料 r _，e 1 口1 . (l十 产 邢一 2 产 ) 户1 一 产对称 拼产1 一 解 1 一 2 产 2 1 一 2 召 2 ( 2 . 5 ) 1 一 2 群 式中:e 为 材料的 弹性 模量，产 为 材 料的 泊 松比. 将 离 散 化 的 单 元 再 组 合 起 来 ， 进 行 整 体 分 析 ， 确 定 结 构 的 荷 载 向 量 玛和 整 体 位 移 向 量 习 之 间 的 整 体 刚 度 矩 阵 k ) 。 设 离 散 结 构 有。 个 节 点 ， 其 中 任 意 结 点 的 位 移 可 表 示 为 氏 卜这 些 结 点 位 移 按 结 点 编 号 从 小 到 大 的 顺 序 排 列 ， 得 结 构 的整体位移向量: 小 柯 。 :“ 。 厂 ， “ 引 ( 2 . 6 ) 而 习 只 有 通 过 结 构 的 整 体 分 析 ， 建 立 以 时 为 基 本 未 知 量 的 平 衡 方 程 组 ， 进行求解后才能求出。 这个方程为: f = 【 k ( 2 7 ) 若 已 知 时， 则 可 以 求 得 各 单 元 内 部 的 节 点 位 移 ， 随 之 解 出 应 变 和 应 力 ， 这 个 就 是有限元法的大体解决思路。 随着有限元方法及计算机技术的飞速发展，各种有限 元软件也得到了日 新 月异的发展。有限 元软件现已成为使用有限元方法解决各种科学和工程问题的 关键，它使有限元方法转化为直接推动科技进步和社会发展的生产力， 使之发 挥了巨大的经济和社会效益。 2 . 1 . 2 ns ys系列通用有限元软件 1 9 7 0 年， j o hn s ， ans on博士洞察到计算机模拟工 程应该商品化， 于是创建 了ans 丫 5 公司， 总部位于美国宾夕法尼亚 州的匹兹堡。 30年来， ans ys公司 致 力于设计分析软件的开发，不断吸取新的 计算方法和计算技术， 领导 着世界有 限 元技 术的发 展， 并为 全球工业 广泛接受， 其5 0 0 00多 用 户遍及全 世界。 ans ys 在有限 元软件 领域占 据了 举足轻重的 地 位回. ans y s 软件是融结构、 热、 流体、 电 磁、 声学于一体的 大型通用以e 有限 元 第二章 有限元基本方法和有限元模型 分析软件，可广泛运用于核工业、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、生物医学、轻工、 地矿、 水利、日 用家电 等一般工业及科学研究。 该软件可在大多数计算机及操作系统 中运行，从咒机到工作站直至巨 型计算机， 州s ys文件在其所有的产品 系列和 工作平台 上均兼容。 软件主要包括三个部分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 前处 理模块提供了 一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以 方便的构造有限 元模型; 分析计算模块包括结构分析 ( 可进行线性分析、非线性分析和高级非 线性分析) 、 流体动力学分析、电 磁场分析、 声 场分析、压电 分析以 及多物理场 的祸合分析， 可模拟多种物理介质的 相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能 力:后处理模块可将计算结果以 彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子 流迹显示、 立体切片显示、 透明 及半透明显示等图 形显示出 来，也可以 将计算 结果以图表、曲 线形式显示或输出习 。 a 加 s ys 公司长期以来为用户提供成熟的cae 产品，公司不只提供整合的、 成熟的软件，而且提供软件的组件 ( a pi，基于m sc 明技术) 。用户可以根据自 己的实际需要将这些拆散的技术重新组合，并集成为具有自 主知识产权的技术， 形成既能够充分满足自 身的分析需求， 又具有个性化的软件产品。 而rkb ench则 是专门为重新组合这些组件而设计的专用平台。开发出来的软件产品在易用性 和功能性之间可以 取得很好的平衡。 节 句 r k be n cb提供了一个加载和管理a pi的 基 本框架。 在此 框 架中， 各组件( api)通过j 而pt 、 vbsc ri p t 和h r m l 脚本语言 组织，并编制适 合自 己的使用界面 ( c u i ) 。 a n s ys 公司提供的c a d 链接器、 参数管理器、 各类api 以及用户自己知识 产权的api 在场 七 r k be o c h 环境下集成， 形成应用程序. 在汽车车辆的设计中， 采用全新零部件的比 例并不大， 通常是将标准零部件 c ad 骨架库中的 零部件的 尺寸、 材料加以 变化，再添加一些细部工艺特征，即可应用到新的设计中。 希 望对某c ad零部件分析时， 从c a d骨架模型 库中提取模型， 在wor k 比 n c b 程序 中设置设计参数， 如设计尺寸、 材料或载荷大小等， 然后提交给希望的求解器 求解。 计算结果 返回研 自 r k ben 比程序进行结果显示。若用户对当前的设计方案 不满意， 可重新设置参数，再求解， 直到对当前的设计方案满意为止。这些满 意的设计参数在此处可以 直接返回 对应此模型的c ad 软件中 ( 双向 互动参数传 递功能) ，生成候选的设计方案。如图2 . 1 所示: 第二章 有限元基本方法和有限元模型 w创州比刘出g【 兀 i c 范 曦 接 ， ! 参 数 竹 理 料1 i a n 3 、 ，g apl l lj 习 ， 。 p ，1 c 八 。 软 作 】 知尼 ， 伽护户口 c目 妇、l 口山仍 已 涵 记w工，氏肋田口 洲因口、功月劝叮 朋 2 一 1盆 于胡汀s w 恤 b .h 的 分 析环 境 叭 勺 r k b e n c h g 切程序可以 提供a n s ys 公司提供的各种核心功能， 如:问题 的结构线性分析、非线性分析、静力分系、动力分析、疲劳分析、屈曲分析、 热及热应力分析、流体分析、电磁分析、多目 标自 动优化等，也可加入计算报 告的自 动生成这样的辅助功能。 2 . 2 1 4a一型驱动桥桥壳的实体模型和有限元模型 2 . 2 . 1 桥壳实体模型的建立和组成 江铃公司全顺 (transi t) 高顶单胎 1 4 b l 一 b型桥壳就属于整体式钢板冲压 焊接式桥壳。 c ad设计图纸如图2 . 2 所示: 图2 . 2高顶单胎1 4aee b 型桥壳 第三章 驱动桥的受力特征及结构静力强度分析 第三章 驱动桥的受力特征及结构静力强度分析 3 . 1 汽车驱动桥桥台实验 台架试验是为了取得汽车零件是否达到预期性能的判断数据，因此要选择 能正确反映实际性能的方法.不过对于一种性能往往有许多试验方法，为了统 一起见，试验方法的标准化就显得十分重要。 本课题参考了 中华人民共和国 汽车行业标准 筑/t5 33一 1999 汽车驱动桥台试验方法。 3 . 1 . 1 驱动桥桥壳垂直奄曲刚度和垂直奄曲静强度试验简介 关于驱动桥桥壳垂直弯曲刚度和垂直弯曲静强度的台架试验只适用与非独 立悬挂、全浮式半轴结构的驱动桥桥壳。 试验相关简介如下: ( 1)试验目的:检查驱动桥桥壳的垂直弯曲刚度和垂直弯曲强度，计算 其抗弯后备系数。 ( 2 ) 试验样品:由 委托单位提供符合设计图纸要求的产品，取样3 件，并 附有必要的设计、工艺资料。 ( 3 ) 试验方法:液压疲劳试验和 ( 或材料试验机) 、液压千斤顶、百分表 ( 或位移传感器) 、应变仪、应变片等。 (4) 试验程序:把安有减速器壳和后盖的桥壳安装在支架上，桥壳必须 放平。如力点为二钢板弹簧中心，则支点为该桥轮距的相应点。或者将力点和 支点位置互换。安装时加力方向应与桥壳轴管中心线垂直，支点应能够滚动， 以 适应加载变形不至于运动干涉。 安装之后应加载至满载轴荷2 怡次， 卸载后进 行正式测量。卸载至零时，调整百分表 ( 或位移传感器)至零位，测点位置不 应少于7 点。测点位置如图3 . 1 : 第三章 驱动桥的受力特征及结构静力强度分析 支点 图31力点、 测点 位置 城线箭 头表示 力点的 位置，实 线箭 头 表示测点的 位置 ) 应缓慢加载，从零开始记录百分表 ( 或位移传感器) ，用应变仪检测负荷。 做桥壳垂直弯曲 刚性试验负 荷至该驱动桥载货的 满载轴荷2 . 5 倍 ( 当 该试验车辆 作载货车使用时) 。从零到2 . 5 倍满载轴荷的过程中记录不得少于8 次， 且必须记 录满载轴荷与2 . 5 倍满载轴荷时各测点的 位移量。每根桥壳最少测3 遍。每次试 验开始时都应把量表 ( 或位移传感器)调至零。当进行桥壳垂直弯曲 静强度试 验时，加载至2 . 5 倍满载轴荷时，取下百分表 ( 或位移传感器) ，以次加载至破 坏，中间不得反复。记录失效 ( 断裂或严重塑性变形) 荷载。 ( 5) 处理结果:进行数据处理，对试验样品断口、金相和数据进行分析， 写出试验报告或试验结果通知书。 3 . 1 . 2 垂直弯曲刚度和垂直弯曲静强度试验评估指标 3 . 1 . 2 . 1 驱动桥桥壳垂直弯曲刚性试验评估指标: 满载轴荷时每米轮距最大变形不超过1 . 5 画。 3 . 1 . 2 . 2驱动桥桥壳垂直弯曲静强度试验评估指标: ( 3 . 1 ) 气 : 垂 直 弯 曲 破 坏 后 备 系 数 : p.: 垂 直 弯 曲 破 坏 荷 载 ， ( n) ; p : 满 载 轴 荷， ( n ) 评 价 指 标 : k. 6为 合 格 . 第四章 疲劳分析 第四章 疲劳分析 4 . 1 疲劳的定义和相关术语 疲劳191 材料在 循环 应力或 循环应变作用下，由 于某点 或 某 些点 逐 渐产 生了局部的永久的结构变化，从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂 的过程。 疲劳寿命 应 力幅几 n 。疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数 最 大应力与 最小 应力 代数差的一 半。即:ao 口 山 一 口 画 2 5 一 n 曲线外加应力与中值疲劳寿命的关系曲线。 也称中 值5 一 n 曲 线。 疲 劳寿命常取对数坐标，应力常取线形坐标，有时候也取对数坐标。 4 . 2疲劳强度的重要性 工程实际应用的多数机械零部件承受的荷载都是随时间而变化的。材料、 零件和构件在循环荷载作用下，在某个点或是某些点逐渐产生局部的永久性的 性能 变化， 在一定的循环次数后形成裂纹，并在荷载作用下继续扩展直到完全 断裂的 现象， 称为疲劳破坏。 根据国 外统计， 机械零件的破坏5 既刁俄为疲劳破 坏l0j。如轴、曲 轴、连杆、 齿轮、弹簧、 螺栓、压力容器、 海洋平台、 轮机叶 片和焊接结构等， 很多零件的主要方式都是疲劳破坏1. . 疲劳强度不仅在航空、 航天、 造船、 汽车和原子能等尖端工业部门有着十 分重要的意义， 也是影响一般机械产品使用可靠性和使用寿命的一 个重要问 题。 4 . 2 . 1 桥壳疲劳寿命设计简介 桥壳的 疲劳 寿命设计是一 种名义应力 有限 寿命的设计倒. 有限 寿命设计 法 只能够保证机器在一定的使用期限内 安全使用，因此允许零件的工作应力超过 疲劳极限，零件的重量可以比 无限寿命设计法为轻。该设计法使用经验比 较成 熟， 常 称为安全寿命设计法。是从材料的5 胡 曲 线出发，再考虑各种因素的影 第四章 疲劳分析 响， 得出 零件的5 一 n 曲 线， 并根据零件的5 一 n 曲 线进行疲劳设计。 在对材料5 一 n 曲 线进行修正时要考虑循环数对各影响系数的影响，因为有限寿命设计的设计 应力一般都高于疲劳极限，这时不能够只考虑最高应力，需要按照一定的累积 损伤理论估算总的疲劳损伤. 4 . 3 驱动桥桥壳垂直弯曲疲劳试验简介 根据筑/t5 3 3 一 1 9 99试验标准， 该疲劳试验也只适用与非独立悬挂、 全浮式 半轴结构的 驱动桥桥壳。 疲劳试验的简介如下: ( 1)试验目 的: 检查驱动桥桥壳的垂直弯曲 刚度和垂直弯曲 强度， 计算其 抗弯后备系数。 ( 2 ) 试验样品:由 委托单位提供符合设计图纸要求的 产品，取样3 件，并 附有必要的设计、工艺资料。 ( 3 ) 试验方法:液压疲劳试验和 ( 或材料试验机) 、液压千斤顶、百分表 ( 或位移传感器) 、应变仪、应变片等。 ( 4 ) 试验条件:试验荷载最小为零，最大为2 . 5 倍满载轴荷。试验频率随 设备而异。 ( 5 ) 试验程序:在桥壳上粘贴应变片，贴片位置应选在应力较大处，1 飞 片即可 ( 此片起监视作用) 。 桥壳的安装及力点、支点、 位置要求同图3 . 1 所示; 把安有减速器壳和后盖的桥壳安装在支架上，桥壳必须放平。如力点为二钢板 弹簧中心，则支点为该桥轮距的相应点。或者将力点和支点位置互换。安装时 加力方向应与桥壳轴管中心线垂直，支点应能够滚动，以 适应加载变形不至于 运动干涉。 安装之后应加载至满载轴荷2 一 3 次，卸载后进行正式测量。先加静荷 载，用三等测定计、 应变仪及示波器分别对试验机标定并测出 最小荷载和最大 荷载所对应的应变值。测试精度控制在士 % 3 之内。 加脉动荷载时用应变仪、光 线示波器控制最大荷载荷和最小荷载并监测至桥壳断裂。记录损坏时的 循环次 数和损坏情况。 ( 6) 数据处理: 桥壳垂直弯曲疲劳试验寿命遵循对数正 态分布 ( 或韦布儿 分布) ，取其中值的疲劳寿命。 ( 7 ) 结果处理:对试验样品断口、 金相和数据进行分析，写出试验报告或 试验结果通知书。 第四章 疲劳分析 在本课题中， 利用 a n s ys 叭 lo r k ben ch有限 元分析软件依据台架疲劳实验规 范进行驱动桥桥壳的垂直弯曲 疲劳分析。 4 . 3 . 1 垂直弯曲疲劳试验评估指标 驱动桥桥壳垂直弯曲疲劳试验评估指标: 实际试验数据遵循对数正态分布 ( 或韦布儿分布) ，取其中值疲劳寿命不低 于s o xl 少 次，试验样品中最低寿命不低于50 xl 了 次。 4 . 4 疲劳寿命5 -n 曲线的确定 4 . 4 ， 1对称循环下的材料5 一 n 曲线的确定方法 进行疲劳强度设计时必不可少的是反映材料的抗疲劳性能的疲劳强度与寿 命曲 线，即5 一 n曲 线。该曲 线以达到破坏时的循环数n为横坐标，以对试样施 加的最大应力为纵坐标。 驱动桥桥壳材料的 5 一 n曲 线是名义应力有限寿命设计 法的基础。当然用全尺寸零件进行疲劳试验是得出 材料 5 一 n曲线的最好方法。 但是，一般要经过大量的桥壳试验， 这样做也不经济. 这时候常用的方法就是 利用材料的5 一 n 曲 线估算出 桥壳的5 一 n 曲 线， 采用以 下手段l.来确定5 一 n 曲 线: ( 1 )从文献或手册上查出所用材料的5 一 n曲线。 飞 2) 对所用的 材料进行成组的疲劳试验，得出其疲劳材料的5 一 曲线。 ( 3) 当没有现成的5 一 n 曲 线可以 利用，也没有条件进行疲劳试验时，可以 用下面的简化方法: 当 万 l x 1 0 3 次 时 ， 认 讲 0 g ab; 当n 二 凡次 时 ，a- ， 氏 1 : 当 n 在1 护 一no之 间 时 ， 由 万 1 护、 认 ， 0. 叭 和n no、 氏 。一 认 ， 两 点 在双对数坐标上直线相连，此直线即为1 护1 0 ， 之间的5 一 n曲 线， 其表达式 为: 堪 氏。 烤 a-1 + 19凡 一 lgn 堪 凡 一 3 【 19 ( 0 叭) 一 19 二 1 ( 4 . 1 ) 其中氏 ， : 材料 的 疲 劳 极限 第四章 疲劳分析 氏 ，:n次 弯曲 后 的 疲劳 极