（车辆工程专业论文）汽车驱动桥壳的有限元设计.pdf

飞i i f 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：硝年f 月甲日 l， k j 夕 - d q ：售左 i ，f驱动桥壳的有限元设计 f i n i t ee l e m e n tm e t h o dd e s i g no fd r i v ea x l eh o u s i n g 姓 2 0 0 5 年4 月 l k 、 | | j ， 皤 l ， 江苏大学工程硕士学位论文 汽车驱动桥壳的有限元设计 摘 本文简要介绍了利用u g 软件建立驱动桥壳的三维c a d 实体模型， 利用a n s y s 软件生成驱动桥壳的有限元模型，并通过模态试验评价有 限元模型的准确性。同时利用驱动桥壳的有限元模型，根据q c t 5 3 3 - 1 9 9 9 汽车驱动桥台架试验方法的要求，对驱动桥壳垂直弯曲 刚性、垂直弯曲静强度、垂直弯曲疲劳强度进行模拟计算，对比实验 结果，两者吻合较好。进一步验证了有限元模型的准确性。 初步认为采用有限元模型摸拟计算在设计之初，不必通过台架试 验就可以预知设计结果，提高设计可靠性。为改进驱动桥壳的传统设 计方法提供了依据，从而达到缩短设计周期，降低设计成本的目的。 另外，本文还对驱动桥壳的典型工况进行了有限元计算，得到了 比较详细的应力与变形的分布情况，特别是能指出应力集中区域和应 力变化趋势，这些都是传统计算方法所难以办到的。 课题研究的目的是希望根据驱动桥壳实体尺寸，研究建立驱动桥 壳的三维c a d 实体模型和正确的有限元模型，逐步完善企业桥壳设计 数据库，并通过驱动桥壳的有限元静态分析，研究出一套实用的桥壳 有限元设计方法，进而可以开展有限元动态设计的研究，为今后产品 的优化设计打下基础。 主题词：驱动桥壳有限元模型模拟计算 江苏大学工程硕士学位论文汽车驱动桥壳的有限元设计 a bs t r a c t i nt h i sp a p e r , t h et h r e e d i m e n s i o n a lc a dm o d e lo fd r i v ea x l eh o u s i n gi se s t a b l i s h e d w i t hu gs o f t w a r e ，a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ( f e m ) o ft h ep a r ti sb u i l db a s e do n a n s y ss o f t w a r ea n dq c t5 3 3 19 9 9 “t h ea u t o m o b i l ed r i v ea x l es e te x p e r i m e n t m e t h o d ”，a n dt h ea c c u r a c yo ft h ef e mi sa p p r a i s e db yt h em o d a la n a l y s i st e s t t h e v e r t i c a lb e n d i n gr i g i d i t y , v e r t i c a lb e n d i n gs t a t i cs t r e n g t h ，a n dv e r t i c a lb e n d i n gf a t i g u e s t r e n g t ho ft h e d r i v ea x l e h o u s i n gi sc a l c u l a t e d i ti s f o u n dt h a tt h e r ei sag o o d a g r e e m e n tb e t w e e nt h ef e ma n a l y s i sr e s u l t sa n dt e s to n e s t h ea c c u r a c yo ft h ef i n i t e e l e m e n tm o d e li sf u r t h e rv e r i f i e d a td e s i g ns t a g eo fap r o d u c t ，f e mt e c h n i q u ec a nb e u s e dt oi m p r o v et h ep r e l i m i n a r yd e s i g n i n ga n ds h o r t e nt h ed e s i g nc y c l ea sw e l la s r e d u c et h ed e s i g nc o s t i na d d i t i o n ，t h es t r e s s e sa n dd e f o r m a t i o no fd r i v ea x l eh o u s i n gi nt y p i c a ls e r v i c e c o n d i t i o ni sc a l c u l a t e di nt h i sp a p e r t h ed e t a i l so fd i s t o r t i o na n ds t r e s so ft h ep a r t ， e s p e c i a l l yc a np o i n to u tt h ec o n c e n t r a t e da r e ao ft h es t r e s sa n ds t r e s sv a r i a t i o nt e n d e n c y , a r er e c e i v e d t h e s ec o n c l u s i o n sc a nn o tb ea c h i e v e db yt r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o nm e t h o d t h ep r a c t i c eo fe s t a b l i s h i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a lc a dm o d e la n df e m a n a l y s i s o fd r i v ea x l eh o u s i n ga d v a n c e st h et e c h n i q u e so fd e v e l o p i n gn e wp r o d u c t sa n dh e l p b u i l dd e s i g nd a t a b a s eo fd r i v ea x l eh o u s i n g b e s i d e st h a tl a y saf o u n d a t i o nf o rt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g na n dd y n a m i c sa n a l y s i so ft h ep r o d u c t si nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：d r i v ea x l eh o u s i n g f e mc a l c u l a t i o n 2 “ j 夕 火一 江苏大学工程硕士学位论文汽车驱动桥壳的有限元设计 第一章 1 1 1 2 1 3 第二章 2 1 2 4 第三章 3 1 3 2 3 3 第四章 4 1 4 2 目录 绪论1 研究背景与课题来源l 国内外研究现状2 立题意义和研究内容4 研究手段简介和驱动桥壳的c a d 建模5 计算机辅助设计技术及有限元分析方法5 2 1 1 计算机辅助设计技术5 2 1 2 有限元分析方法5 2 1 3 有限元法的计算步骤6 a n s y s 软件简介8 2 2 1a n s y s 的特点8 2 2 2a n s y s 分析过程9 u g 软件的介绍1 0 2 3 1c a d 模块1 0 2 3 2c a e 模块1 l 汽车驱动桥壳的c a d 建模。1 2 2 4 1 驱动桥壳的功用及结构型式：1 2 2 4 2n j l0 4 0 汽车的驱动桥壳建模1 2 驱动桥壳的有限元模型与模型的试验验证1 5 驱动桥壳的有限元模型15 驱动桥壳模态试验设计1 7 3 2 1 试验仪器及设备1 7 3 2 2 试验模态分析的基本原理1 7 3 2 3 试验方法1 8 驱动桥壳有限元模型的验证1 8 驱动桥壳台架试验的有限元模拟2 1 驱动桥壳台架试验“2 1 驱动桥壳台架试验的有限元模型2 1 3 謦、 童 江苏大学工程硕士学位论文 汽车驱动桥壳的有限元设计 4 3 台架试验的有限元模拟：2 2 4 3 1 驱动桥壳垂直弯曲刚性试验模拟2 2 4 3 2 驱动桥壳垂直弯曲静强度试验模拟2 5 4 3 3 驱动桥壳垂直弯曲疲劳试验模拟2 5 4 4 结论2 7 第五章驱动桥壳典型工况的有限元计算2 8 5 1 计算工况的确定2 8 5 1 1 汽车满载时，最大纵向力工况2 8 5 1 2 满载侧向力最大工况2 9 5 1 3 满载汽车通过不平路面工况3 0 5 2 典型工况的桥壳传统设计方法计算3 0 5 2 1 满载紧急制动工况3 0 5 2 2 满载侧向力最大工况3l 5 2 3 满载汽车通过不平路面工况3 2 5 3 典型工况的桥壳有限元计算3 2 5 3 1 满载紧急制动工况3 2 5 3 2 满载侧向力最大工况3 4 3 3 满载汽车通过不平路面工况。3 5 5 4结论3 6 6 1 论文的主要贡献3 7 6 2 进一步的研究方向3 7 致谢j 3 8 参考文献3 9 4 y 江苏大学工程硕士学位论文汽车驱动桥壳的有限元设计 第一章绪论 1 1研究背景与课题来源 汽车工业是国民经济的支柱产业，汽车及其零部件的制造水平，在很大程度 上也反映了一个国家的科技和工业化水平。许多国家汽车的普及已经达到了很高 的程度，汽车正日益成为现代生活中不可缺少的一种工具。改革开放以来，我国 的汽车工业已经得到了长足的发展。随着人民生活水平的提高，人们对拥有汽车 的欲望已日益迫切，这样就形成我国巨大的潜在市场和汽车工业对国民经济的巨 大推动作用，使得汽车工业成为国家扶持和重点发展的产业之一。 五， 汽车行业的国际竞争十分激烈，但归根到底是科技实力的竞争。中国汽车工 一 业已经经过了近五十年的发展，形成了一个比较完善的工业体系。但和国际汽车 工业的发展水平相比，存在着很大的差距。目前汽车工业的发展主要是通过合资 气 引进国际先进技术，来提高我国的汽车生产水平，缺乏自主知识产权，特别是在 开发新产品和采用动态优化技术进行汽车零部件结构的设计方面与国外相比还有 较大差距。 市场瞬息万变，消费者的口味也日趋个性化，因此汽车的生产周期在汽车的 设计制造中变得十分重要。在这些新车型中，驱动桥作为整车中的关键总成之一， 直接影响着整车的安全性、承载性、平顺性和舒适性。作为汽车的主要传力件和 承载件，驱动桥同从动桥一起支承车架及其上的各总成重量，汽车行驶时，还承 受由车轮传来的路面反作用力和力矩，并经悬架传给车架。 驱动桥壳要求有足够的强度、刚度和良好的动态特性。由于其形状复杂，汽 车的行驶条件又多变，使精确计算汽车行驶时桥壳上的应力变得比较困难。根据 汽车设计理论，驱动桥壳的传统设计方法是将桥壳简化成为一简支梁并校核几种 典型计算工况下某些特定断面的最大应力值。然后根据经验和类比，设计出汽车 驱动桥壳，进行试产，并对桥壳样品进行台架试验和整车行驶试验来考核其强度 与刚度。这是一个反复修改和调整的过程，费时费力，而且这种传统设计方法在 江苏大学工程硕士学位论文汽车驱动桥壳的有限元设计 桥壳结构的轻量化方面蕴含较大的潜力。而轻量化的关键是要对设计的桥壳做到 心中有数，其结构强度究竟有多高，疲劳寿命究竟有多大，从而对桥壳进行减重 优化。 以有限元分析为基础的c a e 技术在发达国家的汽车工业中得到广泛运用，有 力地推动了汽车工业的发展。现在世界上各大汽车公司都采用一种建模、静动态 分析、参数优化等动态优化设计方法，即所谓的“在计算机工作平台上的虚拟设 计技术”。该方法最重要的环节就是针对实际物理结构，在计算机上建立一个与之 力学特性相符的数字化模型。在这个仿真模型的基础上进行各种静、动态工况的 分析和优化设计。该技术的研究、应用与推广对于提高新产品质量、缩短开发周 期和降低开发成本起着十分重要的作用。 企业要在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须不断地保持产品创新， c a d c a m 技术是实现创新的关键手段，而c a e 技术是实现创新设计的最主要技术保 障。为了赶超世界汽车工业的先进水平，大规模采用c a x 技术是国内汽车工业升 级换代是必由之路。在这种情况下，跃进轻型汽车股份有限公司车桥分公司与南 京林业大学机电学院合作，开展“汽车驱动桥壳的有限元设计的研究项目。本 论文就是完成这一项目中的一个重要部分，具有明确的工程意义和应用背景。 1 2 国内外研究现状 汽车驱动桥的桥壳是汽车上的主要承载构件之一，其形状复杂，而汽车的行 驶条件如道路状况、气候条件及车辆的运动状态等又是千变万化的，因此要精确 地计算汽车行驶时作用于桥壳各处应力的大小是很困难的。过去我国主要是靠对 桥壳样品进行台架试验和整车行驶试验来考核其强度及刚度，有时还采用在桥壳 上贴应变片的电测方法，使汽车在选定的典型路段上满载行驶，以测定桥壳的应 力。这些方法都是在有桥壳样品的情况下才能采用。日本五十铃公司曾采用略去 桥壳后盖，将桥壳中部安装主减速器处的凸包简化成规则的环形的简化方法，用 弹性力学进行应力和变形计算。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，使计算结果受到很大限制。在通常的情况下，在设计 桥壳时多采用传统设计方法，这时将桥壳看成简支梁并校核某特定断面的最大应 2 江苏大学工程硕士学位论文 汽车驱动桥壳的有限元设计 力值。例如，日本有的公司对驱动桥壳的设计要求是在2 5 倍满载时轴负荷的作 用下，各断面( 弹簧座处、桥壳与半轴套管焊接处、轮毂内轴承根部圆角处) 的应 力不应超过屈服极限。我国通常推荐【4 】：计算时将桥壳复杂的受力状况简化成三种 典型的计算工况，即当车轮承受最大的铅垂力( 当汽车满载并行驶于不平路面，受 冲击载荷) 时；当车轮承受最大切向力( 当汽车满载并以最大牵引力行驶和紧急制 动) 时；以及当车轮承受最大侧向力( 当汽车满载侧滑) 时。只要在这三种载荷计算 工况下桥壳的强度得到保证，就认为该桥壳在汽车各种行驶条件下是可靠的。 有限单元法是一种现代化的结构计算方法，在一定前提条件下，它可以计算 各种机械零件的几乎所有几何部位的应力和应变。在国外，2 0 世纪7 0 年代以后， 这种方法就逐渐为汽车零件的强度分析所采用，对汽车驱动桥壳的强度分析也不 例外，国内、外都曾用它分析过汽车驱动桥壳的强度。 在国外，早期的分析集中在最初设计阶段的粗略车身及零件模型上，后随着 计算机硬件技术的发展和试验条件、分析手段的提高，车身及零部件模型的规模 和精度也得到了很大的提高，后期分析的范围已包括强度、刚度、疲劳以及形状 和重量的优化。 我国最早是在9 0 年代开始使用有限元对汽车车桥进行设计和计算。重庆大学 机械工程学院褚志刚等人与长安汽车股份有限公司技术中心试验所合作，采用有 限元分析法对汽车的驱动桥壳进行了静力学、动力学和强迫振动分析，对汽车驱 动桥壳结构破坏机理进行分析研究【佗】。重汽公司技术中心介绍了斯太尔桥壳有限 元模型的建立，利用桥壳模型进行了静强度、静刚度分析，并将所建有限元模型应 用于桥壳的改进设计分析中【l l 】。西安公路交通大学测试分析中心根据模态分析原 理，阐述了结构应变模态的特点及测试方法，建立了微型汽车驱动桥壳的动态响 应模态模型。根据模型，计算出任意载荷条件下结构的应交响应，确定疲劳危险 点，进而可进行结构疲劳分析的计算机模拟【1 3 】。国内车桥厂的现状是仍然利用传统 设计方法进行桥壳设计，这不可避免地造成了产品更新换代慢、开发成本高等一 系列问题，从而无法及时应对市场的变化和需求。在驱动桥壳台架试验的有限元 模拟方面目前还尚未进行。 骞t 曩 江苏大学工程硕士学位论文汽车驱动桥壳的有限元设计 1 3 立题意义和研究内容 本论文的研究工作主要以跃进轻型汽车股份有限公司车桥分公司的产品 n j l 0 4 0 所用车桥为研究对象，根据驱动桥壳实体尺寸，研究建立驱动桥壳的三维 c a d 实体模型和正确的有限元模型的方法，并通过驱动桥壳的有限元静动态分析， 研究出一套实用的桥壳有限元设计方法，并将该方法加以推广，逐步完善企业桥 壳设计数据库，为今后产品更新打下基础。 课题研究内容涉及到利用u g 软件建立驱动桥壳的三维c a d 实体模型，利用 a n s y s 软件进行驱动桥壳危险工况的有限元静态设计，驱动桥壳台架试验的有限元 模拟，驱动桥壳的动态分析。 在驱动桥壳危险工况的有限元静态设计中，可根据汽车设计理论，对传统设 计中的几种危险工况用有限元的方法进行计算，了解桥壳在危险工况下，应力的 分布和变形的情况；在驱动桥壳台架试验的有限元模拟部分，可根据q c t5 3 3 1 9 9 9 汽车驱动桥台架试验方法的规定，模拟驱动桥壳垂直弯曲刚性试验、垂直弯 曲静强度试验、垂直弯曲疲劳试验，并将有限元计算结果与试验结果进行对比， 从而实现在设计阶段对试验结果的预测。 4 江苏大学工程硕士学位论文汽车驱动桥壳的有限元设计 第二章研究手段简介和驱动桥壳的c a d 建模 2 1计算机辅助设计技术及有限元分析方法 2 1 1 计算机辅助设计技术 在汽车工业这个综合性的大型产业中，c a d c a e c a m ( 计算机辅助设计计 算机辅助工程计算机辅助制造) 技术正得到越来越广泛的应用。1 9 9 0 年美国国家 工程科学院将其评为当代十项最杰出的工程技术成就之一。福特、通用等世界各 大著名汽车公司都把这项技术的研究和应用作为技术支柱，赖以缩短其新车的开 发周期，提高设计质量，降低设计成本，节省大量的人力、物力和财力。目前国 际上各大汽车公司都在使用中将c a d c a e c a m 集成为一体，以满足日益激烈的 市场竞争需求。现在的难点主要是描述动态过程的数学模型的探索和建立。从八 十年代开始，国内汽车厂家陆续从国外引进c a d c a e c a m 软件和技术，与科研 院校合作，开展研究，力争形成我国自主知识产权的新产品开发能力。 在计算机辅助设计技术中，c a e 技术对提高设计质量起着很关键的作用。而在 c a e 技术中，有限元分析方法和软件技术又占据了一个极其重要的位置。通常工程 设计中，对复杂结构的分析，常常很难得到解析解。一般用以下两种方法可以来克 服这个困难：一种方法是对复杂的问题做出种种简化，提出诸多假设，回避问题的 难点，最终简化为一个能够解决的问题。但通常由于过多的假设和简化，使得最终 的解答不准确或没有任何意义。另一种方法就是尽可能的保留问题的各种实际情况， 放弃封闭形式的解析解，尝试寻求满足工程实际需要的近似的数值解。在计算机硬 件条件和计算技术迅速发展的今天，后者应为比较现实和有效的选择。 2 1 2 有限元分析方法 有限单元法是近三十四年来随计算机的发展而发展起来的用于各种结构分析 的数值计算方法。它运用离散概念，把弹性连续体划分为一个由若干个有限单元 羹? 江苏大学工程硕士学位论文 汽车驱动桥壳的有限元设计 组成的集合体，通过寻找一与原连续体场问题的等阶的范函变分形式，得到一组 代数方程组，最后求解得到数值解。有限单元法的基本思想一一离散化概念早在 4 0 年代就已经提出来，由于当时计算条件的限制，没有引起重视。十年以后，英 国航空教授a r g y r i s 和它的同事运用网格思想成功地进行了结构分析。与此同时， 美国r w c 1 0 u g h 教授运用三角形单元对飞机结构进行了计算，并在1 9 6 0 年首 次提出了“有限单元法”这个名称。在以后十年中有限元法在国际上蓬勃发展起 来。6 0 年代中后期，国外数学家开始介入对有限元法的研究，以使有限元的发展 有了坚实的数学基础。1 9 6 5 年，o c z i e n k i e w i c z 和同事y k c e u n g 宣布， 有限元法可以用于所有能按变分形式进行计算的场问题，有限元法的应用也推广 到了更为广阔的范围，并最先应用到航空工程领域，后来迅速推广到机械与汽车、 造船、建筑等各种工程技术领域，在学科上也由固体力学领域拓展到温度场、流 体、电磁场、振动等各学科1 7 】。 2 1 3 有限元法的计算步骤 2 1 3 1 网格划分 有限元法的基础是用有限个单元体的集合来代替原有的连续体。因此首先要 对弹性体进行必要的简化，再将弹性体划分为有限个单元组成的离散体。单元之 间通过单元节点相连接。由单元、结点、结点连线构成的集合称为网格。 通常把三维实体划分成4 面体或6 面体单元的网格，平面问题划分成三角形 或四边形单元的网格。 2 1 3 2 选择位移模式 在完成结构的离散之后，就可以对典型单元进行特性分析。此时，为了能够 用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元 中唯一的分布作出一定的假设，也就是假定位移是坐标的某种简单的函数，这种 函数称为位移模式。 选择适当的位移函数是有限单元法分析中的关键。通常选择多项式作为位移 模式。其原因是因为多项式的数学运算( 微分和积分) 比较方便，并且由于所有 光滑函数的局部，都可以用多项式逼近。至于多项式的项数和阶次的选择，则要 6 江苏大学工程硕士学位论文 汽车驱动桥壳的有限元设计 考虑到单元的自由度和解的收敛性要求。一般来说，多项式的项数应等于单元的 自由度数，它的阶次应包含常数项和线性项等。这里所谓单元的自由度是指单元 节点独立位移的个数。 根据所选定的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关 系式，其矩阵形式是 扩 = 【弦 5 ( 2 1 ) 式中 厂) 单元内任一点的位移列阵； 】形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数： p y 单元的节点位移列阵。 2 1 3 3 分析单元的力学特性 位移模式选定以后，就可以进行单元的力学特性的分析，包括下面三部分内 容： 。 ( 1 ) 利用几何方程，由位移表达式( 2 i ) 导出用节点位移表示单元应变的关 系式： 爷) = 陋弦) ( 2 - 。2 ) 式中扛) 单元内任一点的应变列阵； 矿 陋】单元应变矩阵。 ( 2 ) 利用本构方程，由应变的表达式( 2 2 ) 导出用节点位移表示单元应力的 关系式 扛) = 【d i b ) 8 ( 2 3 ) 式中p 单元内任一点的应力列阵； 【d 】与单元材料有关的弹性矩阵。 ( 3 ) 利用变分原理，建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式，即 单元的平衡方程 扩) = k 】p 】 ( 2 4 ) 7 江苏大学工程硕士学位论文 汽车驱动桥壳的有限元设计 式中，k r 称作单元刚度矩阵，在以后将导得 时= 胪】1 d p 】d xdydz (2-5) 上式的积分应遍及整个单元的体积。 利用变分原理还同时导得等效节点力沪r 。 在以上三项中，导出单元刚度矩阵是单元特性分析的核心内容。 2 1 3 4 集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程 这个集合过程包括有两方面的内容：一是将各个单元的刚度矩阵，集合成整 个物体的整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵，集合成总的载 荷列阵。最常用的几何刚度矩阵的方法是直接刚度法。一般来说，集合所依据的 理由是要求所有相邻的单元在公共节点处的位移相等。于是得到以整体刚度矩阵 k 】、载荷列阵旷】以及整个物体的结点位移列阵p ) 表示的整个结构的平衡方程 k = 扩 ( 2 6 ) 这些方程还应考虑几何边界条件作适当的修改之后，才能够解出所有的未知 结点位移。 2 1 3 5 未知结点位移和计算单元应力 由集合起来的平衡方程组( 2 6 ) 解出未知位移。在线性平衡问题中，可以根 据方程组的具体特点选择合适的计算方法。 最后，就可利用公式( 2 3 ) 和已求出的节点位移计算各单元的应力，并加以 整理得出所要求的结果。 2 2a n s y s 软件简介 2 2 1a n s y s 的特点 a n s y s 公司于1 9 7 0 年由j o h ns w a n n s o n 博士创建，总部位于美国宾西法尼亚 州匹兹堡。该公司的主要产品a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁场、声场于 一体大型通用c a e 软件，经过3 0 年的发展，a n s y s 逐渐为全球工业界广泛接受。 8 江苏大学工程硕士学位论文 汽车驱动桥壳的有限元设计 a n s y s 软件可广泛用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、 电子、土木工程、水利、铁道、日用家电等一般工业及科学研究。a n s y s 软件独具 特色的多物理场偶合分析技术和涵盖优化设计、有限元分析等在内的一体化的处 理技术充分体现了c a e 领域最新发展成就。它能够与多数c a d 软件接口实现数据 的共享和交换。同时，该软件是世界上第一个通过i s 0 9 0 0 0 认可的有限元分析软 件，是美国机械工程师协会、美国核安全局等专业技术协会认证的标准分析软件【。 该软件具有下面的特点： ( 1 ) 强大而广泛的分析功能：可广泛应用于结构、热、流体、电磁、声学等多 物理场及多场相互偶合的线性、非线性问题。 ( 2 ) 一体化的处理技术：主要包括几何模型的建立、自动网格划分、求解、后 处理、优化设计等多功能及实用工具。 ( 3 ) 丰富的产品系列和完善的开放体系：不同的产品配套可应用于各种工业领 域如航空、航天、汽车、兵器、铁道、能源、建筑、医疗等。 2 2 2a n s y s 分析过程 番： 有限元分析是一种模拟设计载荷条件，并且确定在载荷条件下的设计响应方 法，是对真实情况的数值近似。a n s y s 有如下几个模块： ( 1 ) 创建有限元模型前处理模块( p r e p 7 ) 耖 1 ) 创建或输入几何模型； 2 ) 定义材料属性； 3 ) 定义实常数； 4 ) 定义单元类型： 5 ) 划分单元。 ( 2 ) 施加载荷并求解求解模块( s o l u t i o n ) 1 ) 定义分析类型：包括静态、瞬态、模态、谱分析、子结构等； 2 ) 施加约束条件； 3 ) 施加载荷：包括力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、偶合场载荷： 4 ) 求解计算。 ( 3 ) 查看分析结果后处理模块( p o s t l 和p o s t 2 6 ) 9 江苏大学工程硕士学位论文 汽车驱动桥壳的有限元设计 1 ) 通用后处理模块( p o s t l ) ：提供等值线显示、变形形状、检查和解释分析 的结果和列表、误差估计、载荷工况组合、结果数据的计算和路径操作等； 2 ) 时间历程后处理模块( p o s t 2 6 ) ：提供特定点在所在时间步内的结果。 2 3 u g 软件的介绍 u g 的各种功能是靠各功能模块来实现的，不同的功能模块能实现不同的用途 【2 】o 下面简要介绍本文用到的模块。 2 3 1c a d 模块 2 3 1 1 u g g a t e w a y ( 入口) u g g a t e w a y 是在一个易于使用的基于m o t i f 环境中形成连接所有u g 模块的底 层结构，它支持的关键操作包括打开已存的u g 零件文件、建立新的零件文件、绘 制工程图和屏幕布局以及输入、输出各种不同格式的文件，同时该模块还提供层 控制、视图定义、对象信息和分析、显示控制、隐藏或再现实体和曲面模型的着 色等。u g g a t e w a y 是所有其它u n i g r a p h i c s 应用的必要基础。 2 3 1 2u g s o l i dm o d e l i n g ( 实体建模) u g s o l i dm o d e l i n g 可提供强有力的复合建模功能。它将基于约束的特征建模 和显式几何建模方法无缝结合起来，使用户能够方便地建立二维和三维线框模型、 扫描和旋转实体、进行布尔运算及参数化编辑，u g s o l i dm o d e l i n g 还包括快速和 有效的概念设计的变量化的草图绘制工具，以及更通用的建模和编辑任务的工具， 它是u g f e a t u r em 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 两者的必要基础。 2 3 1 3u g f e a t u r e sm o d e li n g ( 特征建模) u g f e a t u r e sm o d e li n g 模块提高了表达式的级别，因而设计可以在工程特征 的意义中来定义，提供对建立和编辑标准设计特征的支持，包括几种变形的孔、 槽、型腔、凸台、垫、圆柱、块、锥、球、管道体、杆、倒圆角和倒直角等，也 包括建立实体模型和薄壁对象。各设计特征可以用参数化定义，其尺寸大小和位 置可以被编辑。 i o 江苏大学工程硕士学位论文汽车驱动桥壳的有限元设计 2 3 1 4u g f r e e f o r mm o d e l i n g ( 自由形状建模) u g f r e e f o r mm o d e lj n g 能进行复杂自由形状的设计，如机翼、进气道、工业 设计的产品，它将实体建模和曲面建模的技术合并，组成一个功能强度的建模工 具组。此建模技术包括沿曲线的扫描、利用轨道方法比例地建立复杂形状、圆形 或锥形模型截面的倒圆、在二个或更多的体间建立光顺的曲面等，u g f r e e f o r m m o d e l i n g 也支持逆向工程中通过曲线、点去拟合建立形状模型，通过修改定义的 曲线，改变参数的数值，或者利用图形或数字的规律控制进行编辑。 2 3 1 5u g d r a f t i n g ( 制图) u g d r a f t i n g 使任一设计师、工程师或制图员能够以实体模型去绘制产品的工 程图，基于u n i g r a p h i c s 的复合建模技术，u g d r a f t i n g 建立与几何模型相关的 尺寸，确保在模型改变时，工程图被更新。u g d r a f t i n g 支持制图标准，它有完整 的基于图符的图创建和注释的工具，利用u g a s s e m b l ym o d e l i n g 创建的装配信息 可方便地建立装配图，包括快速地建立装配分解视图的能力，u g d r a f t i n g 减少 工程图生成的时间和成本。 2 3 2c a e 模块 2 3 2 1u g f e a u g f e a 是一个与u g s c e n a r i of o rf e a 前处理和后处理功能紧密集成的有限 元解算器，这些产品结合在一起，能实现在u n i g r a p h i c s 环境内的建模与分析， u g f e a 是基于世界领先的f e a 程序一 i s c n a s t r a n ，它不仅仅在过去的三十年为 有限元的精度和可靠性建立了标准，而且也在今天的动态产品开发环境中继续证 明它的精度和有效性，躯c n a s t r a n 通过不断地完善结构分析功能和算法的优点， 成为领先的f e a 程序。 2 3 2 2u g m e c h a n is m ( 机构) u g m e c h a n i s m 可直接在u n i g r a p h i c s 内方便地进行模拟任意一个实际二维或 三维机构的复杂运动学分析、动力学分析和设计仿真，可以完成大量的装配分析 工作，如最小距离、干涉检测、轨迹包络等。其交互式运动学模式允许同时控制 五个运动副，用户可以分析反作用力，图示各构件位移，速度和加速度的相互关 簟 甓 雾 江苏大学工程硕士学位论文 汽车驱动桥壳的有限元设计 系，同时反作用力可以输出到有限元分析模块中。 2 4 汽车驱动桥壳的c a d 建模 2 4 1驱动桥壳的功用及结构型式 驱动桥壳是汽车上的主要零件之一。它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，同从动桥一起支承车架及其上的各总 成重量，作用在驱动轮上的牵引力、制动力、侧向力，也通过桥壳传到悬挂及车 架或车身上。 驱动桥壳的设计要求有足够的强度和刚度，质量尽量小，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，故其结构型式在满足 使用要求的前提下，要尽可能便于制造。 驱动桥壳可分为整体式桥壳和分段式桥壳两类。 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。 整体式桥壳因制造方法不同又有多种型式。常见的有整体铸造；中段铸造压 入钢管( 管式) ；钢板冲压焊接式等型式。整体铸造桥壳刚度大、强度高，易铸成 等强度梁形状，但质量大，铸造质量不易保证，适用于中、重型汽车。更多的用 于重型汽车上。： 中段铸造两端压入钢管的桥壳，重量较轻，工艺简单且便于变型，但刚度较 差，适用于批量生产。 钢板冲压焊接式桥壳具有质量小、工艺简单，材料利用率高、抗冲击性好、 成本低等优点，并适于大量生产。目前，在轻型货车和轿车上得到广泛应用。 分段式桥壳一般分为两段，由螺栓将两段连成一体。分段式桥壳比整体式桥 壳易于铸造，加工简便，但维修保养不便。当拆检主减速器时，必须把整个驱动 桥从汽车上拆卸下来，目前已很少使用。 2 4 2 n j l 0 4 0 汽车的驱动桥壳建模 n j l 0 4 0 汽车的驱动桥壳( 后桥壳) 为钢板冲压焊接式桥壳，由后桥壳本体总 1 2 江苏大学工程硕士学位论文汽车驱动桥壳的有限元设计 成、半轴套管、后桥盖总成、后簧固定座、后桥壳凸缘、放油塞座、后桥壳加强 环、通气孔挡油板、后制动支架固定板等组成。桥壳本体材料为8 咖厚0 9 s i v l - 8 钢板，半轴套管材料为4 0 c r 。 建立驱动桥壳模型的主要难点在于恰当地模拟桥壳本体的槽形截面和半圆截 面过渡区域的形状。加之当今时代，人们对产品的审美追求也日益提升，因此在 产品开发时越来越强调细致而复杂的外观造型设计，例如精美的流线型外观。一 般的三维实体特征建模对过渡的处理从外观来看并不理想，而曲面特征建模恰恰 解决的较好。在建模过程中，对驱动桥壳实体作了必要简化。略去挡油盘座环、 衬环、减振器的下支架、油管支架、通气孔挡油罩、加油螺塞、放油螺塞以及各 处螺纹孔和一些较小的倒角，并将不规则的后桥盖总成简化成球面。 利用u g 建模的过程如下： 步骤1 ：后桥壳本体总成建模步骤2 ：后桥壳半轴套管建模 步骤3 ：后桥壳凸缘建模步骤4 ：后桥壳加强环建模 江苏大学工程硕士学位论文 汽车驱动桥壳的有限元设计 步骤5 ：后制动器支架固定板建模步骤6 ：后簧固定座建模 步骤7 ：后桥壳盖总成建模 最后，驱动桥壳的模型如图所示。 图2 1 1 4 江苏大学工程硕士学位论文汽车驱动桥壳的有限元设计 第三章驱动桥壳的有限元模型与模型的试验验证 3 1驱动桥壳的有限元模型 利用u g 软件生成如图2 - i 的实体模型后，在通用的大型有限元分析软件a n s y s 中通过输入接口读入实体模型。考虑到计算的简便，对驱动桥壳模型进一步简化， 经分析和实践，模型采用三维8 节点实体单元，分别用6 9 9 7 0 个实体单元和2 1 3 4 0 个节点代替原实体模型。生成的有限元模型如图3 1 所示。 图3 i 有限元模型 模型中采用的三维8 节点实体单元，各节点的位移有三个独立分量，设沿z 掌 轴方向的位移为u ，沿j ，轴方向的位移为v ，沿z 轴方向的位移为w ，对该实体元 素，共有八节点2 4 个自由度，如图3 2 所示。 p 节点 t ， k 节点 t t n nj “ 图3 28 节点实体单元 在三维形函数中，函数值沿坐标轴( xz z ) 变化。假设位移函数u - - - u ( x , 只z ) 可 写成： u = a , + a e x + a 3 y + a 4 z + a s x y + a 6 x z + a t y z + a s x y z 1 5 江苏大学工程硕士学位论文 汽车驱动桥壳的有限元设计 可推导出形函数为 、1 x fy | z | x i y i x l z iy f z t x i y l z f 弋1 ! x j y jz jj j y ix j z j y j z j l i y 。z i l l t y z kx l y x i z - y k z i 】气y k z k 、 【】一【l 工 j ， z矽斌 汐司曙】i ： 而 * 刁而乃 而刁乃z ， 而乃毛i 。i1 儿乙儿儿乙i l x y - z - 置一y hx t z y - z 。 x 。y - z - 1 x p y pz px p y p x p zpy p zpx p y 乒p ux - y z x q y x ，z q y i z i x y 。z q 则u 、v 、w 三个方向的位移场与形函数 点位移 ( p 的关系为： n 】。 n in jn k n l n m n n n p n ( 3 - 1 ) 砌及节 ( 3 - 2 ) 三维实体的应变共有六个分量，其中有三个正应变和三个剪应变。整理成向 量形式为： 【j - 骨 加 a r a v 劫 却 如 若定义 b 】( 6 x 2 4 ) 矩阵为 o o a 玉 o a 勿 a 玉 昙o o o 昙o q ， oo aa 砂玉 a a t o 。鲁毒 鲁。鲁 1 6 惜 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ， “m“m“竹怕略咋略一竹m卅雌竹 1，j o o 心 o o 咋 o o m o o 心 o o m o o m o o m o o m o 心oo 以o o m oo 心o o m o o m oo o o m o 心o o 心o o k o o台o m o o m o o m o o m o o 。l 一 碧，fl 垒l|丝钞丝缸 + 加一勿加一ll知一18 1l-j o o 心 o o 以 o o 心 o o 心 o o m o o m o o m o o m o oo 心oo 心oo 心o o m o o m o o m o o m o k o o o o 虬o o 以o o m o o m o o o o m o o o a一旁o a一玉a一玉o a 一知o o a 一劫o a 一矗 一 、 江苏大学工程硕士学位论文汽车驱动桥壳的有限元设计 故应变与节点位移的关系为： 8 ) = 【b 】( ( p ) 因而可求出三维实体元素的应变能，并利用最小势能法导出刚度矩阵 f k ( 2 4 xx 2 4 ) 如下： 【i 】；l 【皇】7f d 】f 口】d y ( 3 5 ) 其中 【叫一 3 2 驱动桥壳模态试验设计 ( 3 - 6 ) 驱动桥壳的有限元模型建立好以后，基于此模型所做