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载重汽车底盘结构件的计算机辅助分析与设计 摘要 驱动桥和车架作为载重汽车底盘中的两个主要总成，对其进行计算机辅助 分析和设计很有研究价值。 驱动桥壳作为主减速器、差速器和半轴的装配基体，它是汽车的主要承载 件和传力件。借助于多体系统动力学计算机仿真技术和有限元分析技术，在建 立驱动桥壳的三维立体模型的基础上，应用a d a m s 软件建立整车模型，并对 其进行多体系统力学分析求解，得到各构件关键点处的受力情况，通过a n s y s 软件对其进行有限元模型的模态分析和力学分析，得到驱动桥在满载、冲击、 最大牵引力、紧急制动和最大侧向力五种典型工况下的变形位移和应力分布情 况。 车架作为载重汽车各总成和组件连接的主要载体，承受着复杂的垂向力、 横向力和纵向力作用。通过对汽车车架形状拓扑优化方面的研究，提出一种新 的设计概念，这个方面的研究不仅可用于汽车车架的开发和设计，对于其它汽 车零部件的开发设计亦具有相应的理论参考价值和实际指导意义，具有广阔的 工程应用前景。 关键词：底盘结构件多体动力学有限元分析形状拓扑优化 c o m p u t e ra i d e da n a l y s i sa n dd e s i g n t r u c kc h a s s i s a b s t r a c t o ns t r u c t u r a lp a r t so f d r i v i n ga x l ea n dc h a s s i sf l a m ea r et w om a i na s s e m b l yo ft r u c kc h a s s i s ，s oi ti s o fg r e a tv a l v et oc o n d u c tc o m p u t e ra i d e da n a l y s i sa n dd e s i g no ft h e m d r i v ea x l eh o u s i n gi st h em a i nl o a d - s u p p o r t i n ga n df o r c e - t r a n s f e r r i n gp a r t ，a s t h ea s s e m b l i n gb a s eo ff i n a ld r i v e ，d i f f e r e n t i a la n dh a l fa x l e t h i sp a p e rc o m b i n e d m u l t i b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o nt e c h n i q u ew i t hf e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) t e c h n i q u e f i r s t l y ，3 - dm o d e lo fd r i v i n ga x l ea n dw h o l e v e h i c l em o d e li na d a m s w e r eb u i l t t h e nt h ef o r c e so fk e yp o i n t sw e r eg a i n e db yf o r c ea n a l y s i sb a s e do n m u l t i - b o d yd y n a m i c s f i n a l l y ，m o d a la n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n ts t a t i ca n a l y s i so f f e mw e r ec o n d u c t e db ya n s y ss o f t w a r et og e tt h ed e f o r m a t i o nd i s p l a c e m e n ta n d s t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n so ff u l ll o a d ，i m p a c t ，m a x i m u m t r a c t i o nf o r c e ，e m e r g e n tb r a k i n ga n ds i d e s l i p 一 - c h a s s i sf l a m e ，t h em a i nc a r r i e ro fa s s e m b l ya n dp a r tc o n n e c t i o n so ft r u c k ， s u p p o r t sc o m p l i c a t e dv e r t i c a l ，l a t e r a la n dl o n g i t u d i n a ll o a d s b ys t u d y i n gs h a p e t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ，t h i sp a p e rp r o v i d e da n e wd e s i g nc o n c e p to fc h a s s i sf r a m e ， w h i c hi sa v a i l a b l et ot h ed e s i g no ff l a m e ，a n di sa l s oo fa p p l i c a t i o nv a l u ef o r t h e d e s i g no fo t h e ra u t o m o t i v ep a r t s k e yw o r d s ：s t r u c t u r a lp a r t so fc h a s s i s ；m u l t i - b o d yd y n a m i c s ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；s h a p et o p o l o g yo p t i m i z a t i o n 插图清单 图2 1 桥壳三维模型图( 正面) 0 8 图2 - 2 桥壳三维模型图( 背面) 0 8 图2 3 驱动桥壳上部支架三维模型图0 9 图2 - 4 轴头三维模型图0 9 图2 5 多刚体系统动力学建模与求解流程图0 9 图2 6 车辆悬架模板模型图1 1 图2 7 车辆悬架a d a m s 子系统模型图1 2 图2 8 后悬架系统模型图1 3 图2 9a d a m s 整车模型图1 4 图2 1 0a d a m s 整车模型局部图1 4 图3 1 驱动桥有限元实体模型图2 1 图3 2s o l i d 4 5 几何描述简图2 2 图3 3 结构质量单元m a s s 2 1 简图2 2 图3 - 4s o l i d 9 5 几何描述简图2 3 图3 5 桥壳有限元网格划分图2 4 图3 - 6 弹簧压板局部网格划分图2 4 图3 7 轴头局部网格划分图2 4 图3 8 固定支座局部网格划分图2 4 图3 - 9 后壳总成局部网格划分图。2 4 图3 1 0 弹性体六面体体素简图2 6 图4 1 均匀化方法的原理模型图4 2 图4 2 拓扑优化主要步骤流程图4 4 图4 3 车架拓扑优化基本结构简图4 5 图4 4 车架拓扑优化加载图4 5 图4 5 车架拓扑优化单元结果图4 5 图4 6 车架各梁结构设计方案图4 5 图4 7 车架参数化模型网格图4 7 图4 8 车架参数化模型局部网格图4 7 图4 - 9 车架参数化模型局部网格图4 7 图4 1 0 目标函数v o l u m e 的变化过程图4 9 图4 11 状态变量s m a x 的变化过程图4 9 图4 1 2 纵梁宽度w z 的变化过程图4 9 图4 1 3 纵梁高度h z 的变化过程图4 9 图4 1 4 图4 15 图4 1 6 图4 17 图4 18 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 l 图4 2 2 图4 2 3 纵梁拓扑优化前模型图5 0 纵梁拓扑优化单元结果图5 l 纵梁拓扑优化后模型图5 l 横梁拓扑优化前模型图5 1 横梁拓扑优化单元结果图5 i 横梁拓扑优化后模型图5 l 优化后车架有限元模型网格图5 2 优化后车架有限元模型局部网格图5 2 优化后车架有限元模型局部网格图5 2 车架最终受力分布图5 2 表格清单 表2 1 驱动桥各构件之间约束副关系列表1 2 表2 2 中桥和后桥h a r d p o i n t 坐标列表1 3 表2 3 各工况下驱动桥受力简图及轮胎处受力简表1 5 表2 - 4 后悬架系统模型在各工况下参数设置图列表1 6 表2 5 驱动桥各工况构件关键点处受力表1 7 表3 1 材料属性表2 3 表3 2 驱动桥壳前1 5 阶固有频率计算结果统计表3 2 表3 3 驱动桥壳各阶模态振型变化列表一3 3 表3 - 4 驱动桥各工况边界条件加载列表3 5 表3 5 满载工况下驱动桥的变形图和桥壳的应力图统计表3 5 表3 6 冲击工况下驱动桥的变形图和桥壳的应力图统计表3 6 表3 7 最大牵引力工况下驱动桥的变形图和桥壳的应力图统计表3 7 表3 8 紧急制动工况下驱动桥的变形图和桥壳的应力图统计表3 8 表3 - 9 最大侧向力工况下驱动桥的变形图和桥壳的应力图统计表3 9 表3 1 0 各工况驱动桥最大位移列表4 0 表3 1 1 各工况驱动桥壳最大应力列表4 0 表4 1 车架各梁优化数据表4 8 表4 2 车架前1 6 阶固有频率计算结果统计表4 9 表4 3 车架各阶模态振型变化列表5 0 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志和致谢的地方外，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 金胆工业太堂 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。 一擗苏心、r 嗍枷诂嘶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂 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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 盒胆王些态堂 可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：易哕鸟 签字日期：。萨- , e i 多日 电话： 邮编： 瞪1 乃 j 州 月 漩啮 轹 如 签 耧 溯 文 期 沦 日 位 字 学 签 致谢 三年的研究生阶段即将结束，在完成本论文之际，对在这段珍贵的时间中 给予我从学习及生活上关心和帮助的人表示衷心的感谢。 本文的研究工作是在导师王其东教授的悉心指导下完成的。王其东老师严 谨求实的治学态度、高度负责的敬业精神、渊博的学识、博大的胸怀、开拓的 视野、敏锐的洞察力，都给了我深深的影响和启迪，使我在学术和科研水平上 受益匪浅。王老师高尚的人格和对学生的热忱关怀更使我如沐春风，终身难忘。 值此成文之际，特此首先向王其东导师致以衷心的感谢和崇高的敬意。 在作者的课题研究和论文的完成过程中，合肥工业大学机械与汽车学院的 谭继锦老师、姜武华老师、安徽安凯福田曙光车桥有限公司车桥研究所的邾枝 润和黄新林工程师等都提供了多方面的指导、帮助和关怀，在此向他们表示诚 挚的感谢。 感谢我的同窗好友b o s c h b e a r 、华仔、江迎春、骆涛、汪成明、王少凯、吴 红艳、于霞等同学，还有合肥工业大学车辆教研室的所有师兄师姐师弟师妹们， 他们对科研的认真态度和对生活的乐观精神深刻感染了我，与他们的友好合作 和长期交流使我受益匪浅，与他们结下的深厚情谊使我永志难忘。 特别感谢我的父母，感谢他们一直以来对我不断求学的坚定支持，正是他 们无微不至的关怀和照顾、任劳任怨的付出才使得我能够圆满地完成硕士阶段 的学业。 感谢合肥工业大学，在这里我不但学会了很多知识，也学到了很多人生哲 理。 作者：洪小军 2 0 0 8 年4 月2 1 日 第一章绪论 底盘是汽车的主要组成部分，其中驱动桥和车架是底盘中的两个主要总成。 驱动桥壳作为主减速器、差速器和半轴的装配基体，是汽车的主要承载件和传 力件；汽车车架上安装有发动机、变速器、传动轴、前、后桥、驾驶室和车箱 等总成和部件，在实际行驶中，作用在驱动车轮上的牵引力、制动力、横向力 和垂向力通过驱动桥传递到车架上i l j 。利用电子计算机对驱动桥壳和车架进行 合理地分析和设计，不但可以保证满足实际材料的强度、刚度要求，而且可以 减轻其质量，提高汽车的安全性和燃油经济性。 1 - 1 驱动桥概述 驱动桥由主减速器、差速器、半轴和桥壳等组成【2 j ，位于传动系的末端， 其基本功用是增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩，将转矩分配给左、右 驱动车轮，并使左、右驱动车轮具有汽车行驶运动学所要求的差速功能，此外， 驱动桥还要承受路面和车架或承载式车身之间的垂向力，纵向力和横向力及其 力矩的作用。 驱动桥的类型有非断开式驱动桥和断开式驱动桥两种。非断开式驱动桥通 过悬架与车架( 或车身) 连接，由于半轴套管与主减速器壳是刚性地连成一体， 因而两侧的半轴和驱动轮不可能在横向平面内做相对运动，非断开式驱动桥亦 称整体式驱动桥。为了提高车辆行驶平顺性和通过性，有些车辆全部或部分驱 动轮采用独立悬架，即两侧的驱动轮分别用弹性悬架与车架( 或车身) 相连接， 两轮可彼此独立地相对于车架( 或车身) 上下跳动。与此相应，主减速器壳固定 在车架( 或车身) 上，驱动桥壳制成分段并通过铰链连接，这种驱动桥称为断开 式驱动桥。 驱动桥壳是驱动桥中的重要组成部分，也是汽车总成中的主要承载部件之 一，其功用是：支承并保护主减速器、差速器和半轴等，使左右驱动车轮的轴 向相对位置固定；支承车架及其上各总成的重量；汽车行驶时，承受来自路面 的力和力矩，并经悬架传给车架( 或车身) 。作用在驱动车轮上的牵引力，制动 力，侧向力和垂向力也是经过桥壳传递到悬架及车架或车厢上。因此，桥壳既 是承载件又是传力件，在汽车行驶过程中，桥壳承受繁重的载荷，尤其是当汽 车通过不平路面时，由于车轮与地面间所产生的冲击载荷，在设计不当或制造 工艺有问题时，会引起桥壳变形或折断。因此，设计时必须考虑在动载荷下桥 壳有足够的强度和刚度。同时，桥壳还应结构简单，制造方便，以有利于降低 成本，其结构还应保证主减速器的拆装，调整，维修和保养方便1 3 j 。 1 2 汽车车架概述 汽车车架是载重汽车重要组成部分，通过车架联系着载重汽车的各个总成 和组件。按照车架结构形状，一般可以分为以下四种类型：( 1 ) 边梁式车架，又 称梯形车架。( 2 ) x 型车架。( 3 ) 中梁式车架，又称脊骨式车架。( 4 ) 综合式车架。 其中，边梁式车架在货车中使用最普遍。 汽车静止时，车架主要承受垂直静载荷。但是，当汽车在不平道路上行驶 时，工作条件便大为恶化。车架在动载荷作用下比静载荷的弯曲应力大3 - 4 倍。 此外，汽车在不平道路上或崎岖的山路上行驶时，各车轮通常不在一个平面内， 此时，车架还承受有扭力作用，使车架产生各种扭曲变形。此外，汽车在行驶 过程中，一边车轮在偶然碰撞到障碍物时，还可能使两根纵梁发生相对位移， 整个车架变成菱形，导致装在车架上各总成相对位置发生变化而影响正常工作。 总之，车架受力情况十分复杂，因此在进行汽车车架设计时，要求车架应有足 够的强度，合适的刚度，自身重量轻和结构简单，同时应尽量降低汽车重心， 并尽可能使前轮获得最大的转向角，以保证汽车的行驶稳定性和转向灵活性 4 1 。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内外驱动桥研究现状 驱动桥作为汽车的一个重要总成，国内外众多企业和高校都非常重视对其 进行设计与分析方面的研究。 在我国，汽车车桥制造企业除少数企业规模较大外，普遍规模较小，生产 能力强弱不均，技术力量参差不齐。国内具有一定规模的大中型企业近年来为 了提高产品技术含量和市场竞争力，多数采用引进项目的方式，包括引进产品 图样，工艺过程技术，产品制造过程中的品质检测与控制技术及加工设备，如 2 0 0 0 年，四川都江机械有限责任公司从本田公司( t o y o t a ) i j i 进柯斯特车桥产 品项目，包括产品图样，制造过程的工作图、工序使用的品质表和检验员使用 的检查方法等。2 0 0 4 年初，辽宁曙光汽车集团股份有限公司与韩国现代( d y m o s ) 株式会社签定技术合作项目，引进具有世界领先水平的轻型汽车车桥技术，其 中包括产品技术制造技术及质量检测控制技术等。2 0 0 5 年，四川建安工业有限 责任公司与英国米拉公司( m i r a ) 联合为长安集团开发c v 9 项目，引进其开发流 程，设计方法，制造加工及检测控制手段等技术。总的来说，这种开发模式有 利于提升企业产品档次，产品质量能很快步入世界先进行列，也有利于缩短产 品开发周期，降低设计、制造成本，提高技术含量，缩短与国外同行的差距， 提高在国际市场中的竞争力。 同时，对汽车驱动桥自主创新的技术研究，国内的众多企业和高校也纷纷 加入。福田欧曼配装4 8 5 单级减速的驱动桥采用制动间隙自动调整臂、高性能油 封、轮间差速锁等先进技术，具有结构紧凑、承载能力强、抗疲劳强度高等突 2 出特点。此外，山东大学的于斌和郝滨海对冲压焊接式驱动桥壳的成形过程进 行过数值仿真研究1 5 1 ；中南大学的何学科、黄志辉和颜大寒对驱动桥差速器齿 轮啮合检测试验台改型设计与控制系统试验进行过研究1 6 1 ；武汉理工大学的李 欣和过学迅对重型货车驱动桥桥壳结构分析及其轻量化方面进行过研究1 7 1 ；重 庆大学的张健和胡玉梅对驱动桥振动噪声方面进行过研究1 8 j ；合肥工业大学的 王雁和刘光复对汽车驱动桥主锥总成选垫进行过分析和研究 9 1 ：此外，北京科 技大学的施建春和王国彪、王聪兴和冯茂林、侯银娟、张磊和张文明、杨锁望、 哈尔滨工业大学的吕伟宏和姜继海、南京理工大学的余剑飞和陈效华也都对驱 动桥方面进行过研究i l o j 1 1 1 j1 1 2 j1 1 3 j 【1 4 】【1 5 】1 1 6 】。 在国外，日本的五十铃汽车公司，德国的奔驰汽车公司等，从驱动桥图纸 的绘制，到最终的加工成形，纷纷利用现代先进的计算机技术，对其进行分析 模拟和设计，缩短产品从设计到投产的时间，同时，还不断提高在驱动桥生产 阶段的铸造、焊接等工艺，使驱动桥更安全，更经济，更有利于占领国际市场。 1 3 2 国内外拓扑优化技术研究概况 拓扑优化技术自从2 0 世纪8 0 年代末提出以来，在航空航天、机械、船舶、 微电子和新型材料设计等领域得到了广泛的应用。国外汽车企业的相关研究从 9 0 年代初就已开始，目前应用广泛，国内应用很少，处于起步阶段，如红旗轿 车发动机罩内板的拓扑优化。汽车工业的拓扑优化问题所覆盖的车辆类型有轿 车、公共汽车、卡车等；优化对象包括车身本体构件( 如前柱、发动机罩) 、白 车身总体，底盘和发动机上的连杆和支撑部件，以及轴承结构等；优化对象的 制造方法包括钣金加工、铸造和锻造；制造约束包括最小和最大结构尺寸、拔 模或锻压的角度和方向、各类对称性条件等；优化目标和约束包括重量、柔顺 度、能量吸收、自然频率、应力和最大位移等；所涉及学科包括静力学、多体 运动学、塑性力学、振动、噪声、疲劳、优化算法和高性能科学计算等发达国 家的政府组织和大公司，包括欧洲委员会、瑞典政府、德国政府、通用汽车公 司等，都大力支持大学等科研机构开展相关研究拓扑优化技术在诸如福特、奥 迪、宝马、沃尔沃、丰田、尼桑等公司的实际车型上得以使用。例如奥迪a 8 车 型在车身和发动机上多处使用了拓扑优化技术。 结构拓扑优化按研究对象可以划分为离散结构拓扑优化和连续体结构拓扑 优化两大领域。其历史可以追溯到1 9 0 4 年由m i h e l l 提出的m i h e l l 支架理论1 1 7 j ， 由于数学上的复杂性，m i h e l l 支架理论只解决一些承受简单载荷和简单支撑的 情况，后来虽有许多人对这一理论进行了完善和发展，但是这些研究都属于经 典结构布局理论的范畴。为了克服经典结构布局理论在实践应用中的困难， d o r m ，g o m o r y 和g r e b e r g 首先在离散结构拓扑优化中使用了基结构法l l s j1 1 9 j ，该 方法只考虑单工况和应力约束，不考虑位移约束和协调条件，以内力作为设计 变量，从而导出一个线性规划( l p ) i h - 题，杆截面由满应力法求得，将截面面积 为0 的杆件从基结构中删除以求得结构的最优拓扑。 连续体结构的拓扑优化是研究在给定外载荷和边界条件下，如何将材料分 布到给定的初始区域上，使得材料在某些区域上集中、在某些区域上没有而形 成孔洞。变厚度法是最早被采用的拓扑优化方法，它的基本思想是以单元的厚 度为设计变量，以优化结果中的厚度分布确定最优拓扑，是尺寸优化方法的直 接推广，具有方法简单、概念清晰等优点，但优化对象受到限制，不能推广到 三维连续体结构的拓扑优化。1 9 8 0 年c h e n g 和o l h o f 噌先将材料微观结构模型引 入到结构的拓扑优化设计中 2 0 j1 2 l 】 2 9 】1 3 0 l ，后来b e n d s o e 和k i k u e h i 应用微观结构模 型进行了连续体结构的拓扑优化设计1 2 2 j 【2 3 j 3 1 j1 3 2 】，他们对微结构材料的宏观材 料特性计算使用了均匀化方法，开创了连续体结构拓扑优化设计研究的新局面。 近来，f u k u s h i m a 和s h u z u k i 等人将均匀化方法引入到三维壳体结构并应用到汽 车车体的优化设计中1 2 4 j1 2 5 j 3 3 j ；d i a z 还研究了多工况条件下的拓扑优化问题的均 匀化方法【2 引。变密度法是结构拓扑优化设计中的另一有效方法，与均匀化方法 不同的是人为的引入一种假想的材料，材料的密度是可变的，材料参数与材料 密度间的关系也是人为假定的，拓扑优化设计时取材料密度为设计变量，优化 结果是材料的密度分布，材料分布反映了结构的最优拓扑。m l e j n e k 、张东旭等 人运用变密度法对二维结构进行了拓扑优化设计 2 7 1 ，y a n g 等将变密度法推广到 三维连续体结构1 2 引，并在汽车结构设计中得到应用。 1 4 课题研究意义及研究内容 1 4 1 研究意义 当今汽车制造业面临的主要挑战是买方市场的形成和产品更新换代速度的 日益加快。汽车产品开发的一个主要手段就是变型设计，即以现有产品为基础， 保持基本结构和功能不变，对其局部结构、尺寸或配置进行一定范围内的变动 和调整，以此快速形成适应市场需求的新产品。驱动桥和车架是汽车底盘中的 重要结构件，承受着来自路面和悬架之间的力和力矩，是汽车中工作条件最恶 劣的总成，如果设计不当会造成严重的后果。在对汽车的驱动桥和车架设计的 过程中，如果可以建立汽车的多体系统动力学整车模型和有限元模型，在设计 的同时就进行多体系统动力学分析和有限元分析，利用现代计算机的强大计算 能力，在进行强度刚度以及运动干涉方面校核的同时，对其进行设计和修改， 不但可以避免设计不当而造成的质量不合格，还可以有效地缩短新产品的研发 时间和降低成本。将多体系统动力学技术与有限元技术相结合，通过多体系统 动力学软件对汽车的整车模型进行分析，计算得到可用于有限元软件加载输入 的载荷数据，这样可以有效地避免传统的按经验公式计算得出结果的不精确性。 在有限元建模时，采用全参数化建模，不但有利于以后的模型修改，还可以通 4 过软件自带的优化设计模块对其进行形状拓扑优化，这个方面的研究不仅可用 于汽车驱动桥和车架的开发设计，对于其它汽车零部件的开发设计亦具有相应 的理论参考价值和实际指导意义，具有广阔的工程应用前景。 1 4 2 本课题的研究内容 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 利用u g 三维建模软件，以国内某汽车公司某驱动桥壳为例，绘制出 驱动桥壳的三维实体模型。 ( 2 ) 将三维立体模型导入到a d a m s 多体系统动力学软件中，建立起驱动桥 后悬架的系统模型和载重汽车的整车模型，对驱动桥后悬架系统在满载、冲击、 最大牵引力、紧急制动、最大侧向力五种工况下进行多体系统力学分析，得出 各构件在不同工况下的关键点处受力。 ( 3 ) 在有限元分析软件a n s y s 中，将多体系统动力学软件计算得出的数据 加载到有限元模型的对应位置，通过运行求解，得出各工况下的应力及其变形， 验证其是否满足要求。 ( 4 ) 利用a n s y s 的形状拓扑优化技术，对车架进行形状和拓扑优化，得到 车架各梁应力分布均匀，材料使用充分，质量轻的优化设计方案。 5 第二章基于a d a m s 的驱动桥多体系统建模与力学分析 建立三维立体几何模型是进行计算机辅助分析工作的第一步，几何模型既 可以由c a d 软件建立，也可以由c a e 分析软件中自带的建模模块直接建立，考 虑到驱动桥壳一般是由不规则曲面组成的复杂结构，而c a e 软件的建模功能一 般较弱，本课题应用三维绘图软件u g 建立驱动桥壳的三维立体几何模型，并对 几何模型做适当的简化，将其导入到a d a m s 多体系统动力学软件中，建立起 驱动桥后悬架的系统模型和载重汽车的整车模型，对驱动桥后悬架系统在满载、 冲击、最大牵引力、紧急制动、最大侧向力五种工况下进行多体系统力学分析， 得出各构件在不同工况下的关键点处受力，为以后进一步的分析作好准备。 2 1 驱动桥壳三维模型的建立 2 1 1u g 软件概述 u n i g r a p h i c s ( u g ) 起源于美国麦道公司，它是从二维绘图、数控加工编程和 曲面造型等功能发展起来的软件，目前已成为世界一流的集成化机械 c a d c a e c a m 软件，于1 9 9 0 年初进入中国市场，广泛用于国内的航空航天、 汽车、通用机械及模具等各个领域。u g 作为一个集成的全面产品工程解决方案， 被当今世界领先的制造商用于概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程 仿真和数字化制造等各个领域 3 4 j 。 u g 系统提供了基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实 现了数据无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。u g 面向过程驱动的技 术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部产 品及精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有效地 实现了并行工程。 u g 软件是由多个不同功能模块组成的，使用不同的功能模块，可以实现不 同的用途，从而支持其强大的功能。下面简要介绍几种建模时需要用到的c a d 模块： ( 1 ) u g g a t e w a y ( 入口) u g g a t e w a y 模块是u g 软件中的基础模块，是连接所有u g 模块的底层结 构。它仅提供一些最基本的操作，例如新建文件、打开文件、输入输出不同格 式的文件、层的控制和视图定义等，是其他模块的基础。u g g a t e w a y 模块包括 没有限制高分率的绘图仪许用权，同时此模块还提供了现代化的电子表格功能， 构造和管理零件家族并操纵部件间表达式。它通过相关的解析方案，扩充的模 型而易于进行设计，标准的桌面查找功能提供简单的基于知识工程技术的执行 方法。 ( 2 ) u g s o l i dm o d e l i n g ( 实体建模) 6 此模块具有强大的复合建模功能。u g s o l i dm o d e l i n g 使用户能够方便地建 立二维和三维线框模型，例如扫描和旋转实体、布尔运算及进行参数化编辑等， 另外此模块还包括对快速和有效的概念设计的变量化处理的草图绘制工具，以 及更通用的建模和编辑任务的工具。u g s o l i dm o d e l i n g 模块是u g f e a t u r e m o d e l i n g 和u g f r e e f o r mm o d e l i n g 两模块的基础。 ( 3 ) u g f e a t u r em o d e l i n g ( 特征建模) 这个模块提高了表达式级别，因而可以从工程特征的意义定义，支持建立 和编辑标准设计特征，包括几种变形的孔、键槽、型腔、各种凸台、圆柱、方 块、圆锥、球体、管道、杆、倒圆、倒角、生成薄壁实体等。为了基于尺寸以 及位置的尺寸驱动编辑参数化方式定义特征，也可以将存储在共同目录中的用 户定义特征添加到设计模型上。用户自定义特征可以相对于任意其他特征或对 象定位，也可以被引用阵列复制，以建立特征的关系关联集，或者个别的定位， 或者在简单图案和阵列中定位。 ( 4 ) u g f r e e f o r mm o d e l i n g ( 自由形状建模) 这个模块包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正 交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径 倒圆、曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、曲面编辑等。运用此模块，可 进行复杂自由形状的设计。 此外，u g 还有u g u s e r d e f i n e d f e a t u r e ( 用户自定义特征) 、u g d r a f t i n g ( 锖0 图) 、 u g a s s e m b l ym o d e l i n g ( 装配建模) 、 u g a d v a n c e da s s e m b l i e s ( 高级装 配) 、u g p h o t o 等模块，在此不一一详细说明。 2 1 2u g 几何建模经验总结 为了达到事半功倍的目的，对平时不断建模的经验进行总结，不但可以避 免建模时的无条理性，而且可以缩短建模时间，并且对以后模型的进一步修改 也将更加方便和简易。在对驱动桥壳模型的三维建模中，遵循了以下常用的经 验总结： ( 1 ) 建立几何模型之前，要观察结构的主要特征是什么，确定从哪里开始建 模。一般先做出主要特征，再做出局部的特征，也就是从整体到局部的建模思 路。 ( 2 ) 基准是完成特征的第一步。基准包括基准面、基准轴、基准曲线、基准 点、基准坐标系，其主要用途是为三维造型设计提供建模参考，也可以作为草 绘图和标注的参考。实体建模，首先需要考虑是采用系统默认的基准，还是采 用自定义的基准，很多不规则的实体特征都是在自定义的参考基准上生成的。 ( 3 ) u g 是基于特征建模的，因此，父子特征的关系就显得十分重要。父特 征修改直接影响到子特征，删除或隐藏父特征，子特征也会一起被删除或隐藏。 7 u g 提供的是一种全参数化的设计方法，最大优点就是可以对模型的尺寸参数进 行修改，并重新自动生成模型。修改时，如果对某个父特征重新定义，就有可 能导致子特征自动生成失败。发生这种情况，要通过重新排序或重新规划特征 的方式修改父特征或子特征，以使两者对应，但一般应尽量避免发生这种情况。 ( 4 ) 几何建模时，应尽可能用较少的特征完成模型创建，因此，可以考虑的 几种方法是创建相对较为复杂的草绘图形，将多个特征的草绘截面合并为一个 复杂截面，从而减少创建特征的操作过程；在同一种特征创建过程中，选取独 特特征创建方法可能会减少特征的数量；使用复制、阵列和镜像几何形状等方 法创建特征。 2 1 3 驱动桥壳的u g 三维实体模型的建立 由于有限元模型是在几何模型基础上建立的，因此，建立几何模型时，既 要考虑几何模型建立的特点，也要考虑有限元模型建立的特点。建立有限元模 型，既要如实地反映实际结构的重要力学特性，又要尽量采用较少的单元和简 单的单元形态，以保证较高的计算精度，同时缩小计算规模。为了满足这两个 要求，在建立几何模型前，就需要考虑实际结构，做出一些简化和假设。 本课题在建立驱动桥的几何模型和有限元分析时，做出以下假设：不考虑 焊接处材料特性的变化，桥壳的材料均为各向同性。在保持其力学性能不变的 条件下，对桥壳结构进行了如下简化： ( 1 ) 将桥壳结构中的细小圆角简化为直角，既有利于c a d 模型建立过程中的 微小操作，也便于进行网格划分，缩小计算规模。 ( 2 ) 忽略掉加油口，放油口部分螺栓链接孔等细小特征。 ( 3 ) 忽略掉桥壳上不影响整体结构的微小附属构件。 最终，根据a u t o c a d 机械制图二维工程图纸，建立的驱动桥壳三维立体模 型如图2 。1 、图2 2 、图2 3 、图2 4 所示： 图2 1 桥壳三维模型图( 正面)图2 2 桥壳三维模型图( 背面) 图2 3 上部支架三维模型图 图2 4 轴头三维模型图 2 2 驱动桥多体系统动力学模型的建立 多体系统动力学，是研究多体系统运动规律的学科，其根本目的是应用计 算机技术进行复杂系统的动力学分析与仿真。多体系统动力学方法在求解汽车 系统动力学问题时，是一种高效率、高精度的分析方法，为汽车动力学的研究 提供了方便快捷的手段。由此，汽车动力学研究的力学模型逐渐由线性模型发 展到非线性系统模型，模型的自由度由二自由度发展到数十个自由度，甚至到 数百上千个自由度，模拟计算也由稳态响应特性的计算发展到瞬态响应特性。 一个机械系统，从初始的几何模型到动力学模型的建立，经过了如图2 5 所示的流程，主要包括两个阶段：建模和求解。建模分为物理建模和数学建模， 物理建模是指由几何模型建立物理模型，数学建模是指从物理模型生成数学模 型。几何模型可以由动力学分析系统几何造型模块所构成，或者从通用几何造 型软件导入。对几何模型施加运动学约束、驱动约束、力元和外力矩等物理模 型要素，形成表达系统力学特性的物理模型。由物理模型，采用笛卡儿坐标或 拉格朗日坐标建模方法【35 | ，应用自动建模技术，组装系统运动方程中的各个系 数矩阵，得到系统的数学模型。对系统数学模型，根据情况应用求解器中的运 动学、动力学、静平衡或逆向动力学分析算法，迭代求解，得到所需的分析结 果。联系设计目标，对求解结果再进行分析，从而反馈到物理建模过程，或者 几何模型的选择，如此反复，直到取得最优的设计结果。 ? 运薯匿霹： 图2 5 多刚体系统动力学建模与求解流程图 9 2 2 1m s c a d a m s 分析软件概述 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m ) 全称是机械系 统自动动力学分析软件，最初是由美国的m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n s ) 开发，目前已被美国m s c 公司收购成m s c a d a m s ，是目前世界范围内最广泛 使用的多体系统仿真分析软件，其建模仿真的精度和可靠性在现在所有的动力 学分析软件中也名列前茅，应用它可以方便地建立参数化的实体模型，并采用 多刚体系统动力学原理进行仿真计算1 3 6 j 。 a d a m s 使用交互式图形环境和部件库、约束库、力库，用堆积木的方式 建立三维机械系统参数化模型，并通过对其运动性能的仿真分析和比较来研究 “模拟样机 可供选择的设计方案。a d a m s 仿真可用于估算机械系统性能、 运动范围、干涉检测、峰值载荷以及计算有限元的载荷输入。 a d a m s 软件包含有很多模块，方便用户进行针对性操作，下面简要说明 本课题中需要用到的模块： ( 1 ) 用户界面模块( a d a m s v i e w ) 。a d a m s v i e w 是以用户为中心的交互式 图形环境。它采用p a r a s o l i d 内核进行实体建模，提供了丰富的零件几何图形库、 约束库和力力矩库，并且支持布尔运算。同时将图标操作、菜单操作、鼠标点 取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、x y 曲线图处理、 结果分析和数据打印等功能集成在一起。 ( 2 ) 轿车模块( a d a m s c a r ) 。a d a m s c a r 集成了在汽车设计、开发方面的专 家经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机，其中包括车身、悬 架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等，工程师可以通过高速动画直 观地再现在各种试验工况下( 例如：天气、道路状况、驾驶员经验) 整车的动力 学响应，并输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数， 从而减少对物理样机的依赖，而仿真时间只是进行物理样机试验的几分之一。 ( 3 ) 求解器模块( a d a m s s o l v e r ) 。a d a m s s o l v e r 是a d a m s 处于心脏地位的 仿真器。它自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力 学的解算结果。a d a m s s o l v e r 有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各 种工程应用问题。 ( 4 ) 后处理模块( a d a m s p o s t p r o c e s s o r ) 。a d a m s p o s t p r o c e s s o r 用来处理仿 真结果数据、显示仿真动画等。既可以在a d a m s v i e w 环境中运行，也可脱离 该环境独立运行。它采用快速高质量的动画显示，便于从可视化角度深入理解 设计方案的有效性。 此外，a d a m s 还包括图形接口模块( e x c h a n g e ) 、控制模块( c o n t r o l s ) 、动画 模块( a n i m a t i o n ) 、柔性模块( a d a m s f l e x ) 、线性分析模块( l i n e a r ) 、驾驶员模 块( d r i v e r ) 、轮胎模块( t i r e ) 等。 l o 2 2 2 多体系统模型模板的建立 模板是供a d a m s 专家权限用户在m s c a d a m s 模板建立器( t e m p l a t e b u i l d e r ) 使用的参数化模型。模板定义了模型的缺省几何数据和拓扑结构，其部 件被参数化定义，因此可以使用一个模板表示大量的部件。 创建一个模板，就是定义一些物体，定义这些物体的连接关系，定义模板 之i 日j 的连接关系。在创建模板时，物体质量参数的定义和载荷特性的属性并不 重要，因为这些参数可以在创建子系统时进行修改。在创建模板时，至关重要 的是准确定义物体之间的连接关系和模板之间的连接关系，因为这些参数在创 建子系统时是不能修改的。在创建模板时，必须考虑车辆模型的装配过程，以 确保模板之间是正确连接的，确保集成模型类型与选用的虚拟试验台是可以正 确匹配的。 模板提供了保持部件基本设计前提下快速试验不用子系统的途径。在被子 系统文件引用前，模板不能在m s c a d a m s c a r 的标准界面中使用，用户可以 通过一个模板和一个子系统结合，改变原模板的几何参数，生成一个新的子系 统。以国内某型号载重汽车的实际模型为例，建立的模板如图2 - 6 所示： 图2 - 6 车辆悬架模板模型图 其中，为了模板建立的需要，将驱动桥的模型切开分为驱动桥左右两个部 分，各构件之间的约束副关系如下表2 1 所示 表2 1 驱动桥各构件之间约束副关系列表 连接构