（动力机械及工程专业论文）基于有限元法的汽车离合器壳破裂问题分析研究.pdf

、 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 耋玉老 2 d f 年歹月b 日 指导教师签名之耋懈 纠1 年占窍bb 基于有限元法的汽车离合器壳破裂问题分析研究 a n a l y s i so fc r a c k i n go fa u t o m o b i l ec l u t c hh o u s i n g b a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 姓 2 0 11 年6 月 动力总成是汽车的重要部件，其质量的好坏直接影响汽车的使用 寿命。离合器壳是汽车传动系统中重要的连接部件和承载部件，受多 源激振力和多种载荷的共同作用。某系列货车离合器壳体连续发生批 量破裂事故，给公司造成重大的经济损失。发动机离合器变速箱是 复杂的总成，离合器壳体的破裂是多种因素综合作用的结果，为了从 根本上研究壳体破裂的原因，需要对动力总成壳体的受力、结构强度、 刚度和振动情况进行综合分析。 本文以汽车动力总成为研究对象，针对离合器壳破裂的实际问 题，系统地探讨了有限元法在机械零件结构设计中的应用。在总成条 件下分析壳体强度，能够比较真实地模拟壳体位移边界条件以及载荷 边界条件，使壳体的分析结果更加合理可信。对发动机机体、离合器 壳、变速箱等多个零件、部件的组合件进行了全面深入的有限元计算 和分析，特别是对动力总成进行载荷边界条件的合理确定以及对变形 的评价。 在分析中综合考虑动力总成壳体的受力情况，施加合理的边界条 件，建立有限元分析模型，重点考察分析离合器壳的应力以及轴承孔 和接触面的变形情况。对相关零件进行结构强度分析，分析应力变化 趋势；提出了一些变形评价指标，以考察变形情况，编写程序对分析 数据进行了提取和后处理，得到轴承孔的同轴度、圆柱度以及壳体接 触端面的平面度，定性和定量比较了改进前后总成壳体的强度和刚度 t 基于有限元法的汽车离合器壳破裂问题分析研究 情况；对动力总成壳体进行有限元模态分析，考察其动态特性，得到 固有频率和模态振型；对壳体进行了改进，并对改进方案进行计算分 析，将原机与改进方案进行比较，解决了壳体破裂问题。设计出分离 式离合器壳体和飞轮壳，进行有限元计算分析，考察两种型式壳体的 结构强度刚度和动态特性，并与整体式离合器壳体进行比较分析。 论文基于有限元法对动力总成组件进行了综合分析，完成了结构 强度和刚度以及动态分析，系统研究了离合器壳体发生破裂的原因， 为解决壳体破裂问题提供了重要的依据，也为进一步研究动力总成的 载荷传递和变形情况奠定了基础。 关键词：动力总成，柴油机，有限元，离合器，变形 兰茎查堂塑主兰堡垒查 a b s t r a c t t h ep o w e ra s s e m b l yi st h ei m p o r t a n tp a r to fa u t o m o b i l e ，a n di t s q u a l i t yi n f l u e n c e s a u t o m o b i l e ss e r v i c el i f e i m m e d i a t e l y t h e c l u t c h h o u s i n g ，w h i c hi st h ei m p o r t a n tc o n n e c t i o np a r ta n d t h el o a db e a r i n gp a r t i na u t o m o b i l et r a n s m i s s i o ns y s t e m , b e a r sm u l t i p l es h o c ke x c i t a t i o nf o r c e s a n dm a n yk i n d so fl o a ds i m u l t a n e o u s l y t h ec l u t c hh o u s i n go fs o m e s e r i e st r u c ka r i s i n gb a t c hb r e a k a g ea c c i d e n t ，c a u s e st h eh e a v ye c o n o m i c l o s st ot h ec o m p a n yt h ee n g i n e c l u t c h g e a rb o xi st h ec o m p l e xu n i t ，a n d c l u t c hh o u s i n g sb r e a k a g er e s u l t sf r o mc o m b i n e da c t i o no fm a n yf a c t o r s t os t u d yt h er e a s o nf o rh o u s i n g sc r a c k i n gf u n d a m e n t a l l y , g e n e r a l i z e d a n a l y s i so nt h eh o u s i n g ss t r e s s ，s t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dr i g i d i t yo fp o w e r a s s e m b l y , a n dv i b r a t i o ns i t u a t i o ni sn e e d e d t a k i n ga u t o m o b i l ep o w e ra s s e m b l ya st h eo b j e c to fs t u d y , t h i st h e s i s d i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o no ff e mt os t r u c t u r ed e s i g ni nt h em a c h i n ep a r t s s y s t e m a t i c a l l yw i t ht h ea c t u a lp r o b l e mo nc l u t c hh o u s i n g sb r e a k a g e i n t h es t a t eo f p o w e ra s s e m b l y , w ec a ns i m u l a t et h ed i s p l a c e m e n tb o u n d a r y a sw e l la st h el o a dc o n d i t i o nt r u l y , a n dt h eh o u s i n g sa n a l y s i sr e s u l ti s a c h i e v e dr e a s o n a b l ya n dc r e d i b l yc o m p r e h e n s i v ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o fp o w e ra s s e m b l yw h i c hi n c l u d e se n g i n e ，c l u t c hh o u s i n g ，g e a rb o xa n d s oo nw a sc a r r i e do n ，e s p e c i a l l yo nt h el o a db o u n d a r yc o n d i t i o nt ot h e p o w e ru n i ta n dt h ed e f o r m a t i o ne s t i m a t i o n t h el o a ds i t u a t i o no fp o w e ra s s e m b l yw a so v e r a l lc o n s i d e r e dt o e x e r tr e a s o n a b l eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dc r e a t ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s m o d e l ，a n dt h ea t t e n t i o nf o c u s e do nt h es t r e s so fh o u s i n ga sw e l la s d i s t o r t i o ns i t u a t i o no ft h eb e a r i n gh o l e sa n dc o n t a c ts u r f a c e s s t r u c t u r a l s t r e n g t ha n a l y s i sw a sc a r r i e do nt oa n a l y z es t r e s sv a r i a t i o nt e n d e n c y s o m ed e f o r m a t i o n e v a l u a t i n g i n d i c a t o r sw e r e p r o p o s e d t o i n s p e c t i i i 基于有限元法的汽车离合器壳破裂问题分析研究 d i s t o r t i o ns i t u a t i o n t h ea n a l y t i c a ld a t aw a se x t r a c t e da n dp o s t - p r o c e s s e d w i t hp r o g r a mt oo b t a i nb e a r i n gh o l e s a x i a l i t ya n dc y l i n d r i c i t ya sw e l la s t h ef l a t n e s so fc o n t a c ts u r f a c e s ，a n dh o u s i n g si n t e n s i t ya n dr i g i d i t y s i t u a t i o na r o u n dt h ei m p r o v e m e n tw e r ec o m p a r e dq u a l i t a t i v e l ya n d q u a n t i t a t i v e l y t oi n s p e c td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fp o w e ra s s e m b l y , f i n i t e e l e m e n tm o d a la n a l y s i sw a sc a r d e do nt oo b t a i nt h ei n h e r e n tf i e q u e n c y a n dm o d es h a p e t h ec o m p u t a t i o na n a l y s i so nh o u s i n g si m p r o v e m e n t p r o g r a ma n dc o m p a r i s o nb e t w e e no r i g i n a la n di m p r o v e ds c h e m ew e r e c o m p l e t e d ，a n dt h eh o u s i n gb r e a k a g ew a ss o l v e d t h ed i s c r e t ec l u t c h h o u s i n ga n df l y w h e e ls h e l lw e r e d e s i g n e d ，a n d f i n i t ee l e m e n t c o m p u t a t i o na n a l y s i sw a sc a r r i e do n t w ot y p e so fh o u s i n g s s t r u c t u r a l s t r e n g t h ，r i g i d i t y a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cw e r e i n s p e c t e d ，a n d c o m p a r a t i v ea n a l y s i sw i t hi n t e g r a l - t y p ec l u t c hh o u s i n gw a sc o m p l e t e d t h ep a p e rc a r d e do ng e n e r a l i z e da n a l y s i so np o w e ra s s e m b l yb a s e d o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dc o m p l e t e dt h es t r u c t u r a ls t r e n g t h ，r i g i d i t y a sw e l la sd y n a m i ca n a l y s i s r e a s o n sf o rb r e a k a g eo fc l u t c hh o u s i n gw e r e i n v e s t i g a t e ds y s t e m i c a l l ya n dt h ei m p o r t a n tb a s i st os o l v et h i sp r o b l e m w a sp r o v i d e d t h er e s e a r c ha l s ol a i dt h ef o u n d a t i o no ff u r t h e rs t u d yo n t h el o a dt r a n s m i s s i o no fp o w e ra s s e m b l ya n dt h ed e f o r m a t i o ns i t u a t i o n k e y w o r d s ：p o w e ra s s e m b l y , d i e s e le n g i n e ，f e m ，c l u t c h ，d e f o r m a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 - _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ - - _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - - _ _ - - _ _ - - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ 一 目录 第一章绪论 l 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 国内外研究现状。2 1 3 本文的主要研究工作4 第二章有限元理论及分析技术 6 2 1 有限元的基本概念6 2 2 边界条件的确定方法7 第三章动力总成组件有限元分析前处理 8 3 1 动力总成组件的基本情况8 3 2 分析模型的建立9 3 2 1 三维模型的建立9 3 2 2 单元的选择1 0 3 2 3 有限元模型的建立1 0 3 2 4 材料属性11 3 3 边界条件11 3 3 1 位移约束。1 2 3 3 2 螺栓预紧力1 2 3 - 3 3 发动机倾覆力矩1 2 3 3 4 变速箱轴承处载荷1 5 3 3 5 气体压力2 l 3 4 本章小结。2 1 第四章动力总成组件结构计算分析与对比2 2 4 1 离合器壳体存在的问题及改进。2 2 4 2 动力总成组件应力分析2 4 4 2 1 机体应力分析2 4 4 2 2 离合器壳应力分析2 5 4 2 3 变速箱应力分析3 0 4 3 动力总成组件变形分析3 0 4 3 1 轴承孔变形图。3 1 v 基于有限元法的汽车离合器壳破裂问题分析研究 4 3 2 变形评价指标3 3 4 3 3 轴承孔同轴度和圆柱度3 4 4 3 4 相关部位的变形分析3 9 4 3 5 离合器端面平面度4 0 4 4 本章小结4 2 第五章动力总成模态分析 4 3 5 1 模态分析简介4 3 5 2 离合器壳体自由模态分析4 3 5 3 组合件约束模态分析4 6 5 4 本章小结。5 0 第六章分离式离合器计算结果与分析 5 1 6 1 分析模型的建立5 1 6 2 结构计算分析5 2 6 2 1 壳体应力分析5 2 6 2 2 组件变形分析5 3 6 3 模态分析5 7 6 3 1 离合器壳自由模态分析5 7 6 3 2 组合件约束模态分析5 8 6 4 本章小结6 0 第七章结论与展望 6 1 7 1 全文总结6 1 7 2 进一步工作展望6 2 参考文献 致谢。 硕士期间发表的论文 v i 6 3 6 6 6 7 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早殖记 1 1 课题研究的背景和意义 汽车动力总成壳体破裂现象具有一定的普遍性，许多汽车生产企业均出现过 壳体破裂问题，但是发动机、离合器、变速箱是一个复杂的总成，其工作转速变 化范围大，负载变化范围大，驾驶工况变化频繁且随机性强，使动力总成经常处 在不稳定的运行状态，还有发动机本身的燃烧过程、振动和热效应等【1 1 ，这些因 素使得对动力总成壳体的受力、结构强度和振动的研究变得十分复杂。 随着计算机科技的发展，有限元法在发动机领域得到愈来愈广泛的运用，利 用有限元方法模拟计算复杂结构的应力和应变成为一种有效的辅助设计手段和 方法。它以成本低、周期短、效率高、应用简单方便的特点成功为各工程结构强 度问题提供很优秀的结果而深受工程界的欢迎，是c a e 的重要组成部分，也是 有效的强度计算方法。将有限元分析与模态分析技术相结合的动态设计技术，已 经在国外汽车、发动机结构设计中获得工程实际应用。 汽车离合器是动力传递的关键部件，其动态特性是汽车传动系设计和影响车 辆寿命的重要因素。离合器壳体虽然不是传递力( 力矩) 部件，但在车辆行驶的过 程中，它受多源激振力和多种载荷的共同作用，受力状况是非常复杂的。由于发 动机曲轴、飞轮、传动轴等旋转件的不平衡度影响【2 】，汽车的整个动力传动系， 会可能有弯曲共振现象的发生。离合器壳体是连接在发动机机体和变速器箱体之 间的，它本身没有支撑元件，因此处在整个动力传动系中部的离合器壳体与其它 动力系部件相比在抗弯曲共振中是最薄弱的环节。另外，汽车在路面条件不好的 道路上行驶时，路面的不平度可能会引起动力传动系的弯曲，扭转等现象 3 1 ，此 时离合器壳体会受到弯矩、转矩等载荷的作用。此外，行驶过程中离合器壳体还 会受到复合作用力的综合作用。 离合器壳体的破裂一般出现在货车和越野车等商用汽车上，这主要是因为货车 的载重较大，一般都在满负荷下工作；越野车经常行驶在路面状况变化大的环境中， 道路状况比较恶劣，也就是它们的工作环境和受力状况等相对比较复杂【4 5 】。当离 合器壳体的结构形状和承载形式不同时，它的裂纹产生的位置和大小也各不相 同。离合器壳体的频繁开裂，不仅增加了汽车的修理费用和停车时间，而且降低 1 基于有限元法的汽车离合器壳破裂问题分析研究 了汽车行驶的可靠性和经济性。因此在离合器壳体的设计中要特别注意强度问 题。 现阶段离合器零部件的设计有三种主要方法：理论分析与经验设计，实体模 型试验研究和有限元分析。近几十年来，国内外基于对离合器理论与试验的研究， 己经基本上建立了近似的和比较规范化的计算方法。但这些方法主要还是停留在 简化后的理论计算、经验类比、模型制作、试验比较、再进行改进，反复多次才 能得到理想的设计效果，既费时又费力。现阶段成熟的有限元软件的出现把大量 重复工作交给计算机处理，求解效率提高，为企业减少了大量试验费用，缩短了 研发周期6 。1 0 】。有限元法已经逐渐成为结构强度计算的通用方法。 应用有限元方法不仅可以获得较精确的力学模型和充分的分析信息，便于进 一步进行结构优化设计分析，而且能在结构设计阶段预估其振动特性，提出更合 理的改进设计方案【1 l - 1 4 1 。 1 2 国内外研究现状 关于离合器壳体早期开裂问题，早在5 0 年代国外就开始了研究。主要是从整 个动力传动系的整体共振的角度来研究，其中得出了一些对本课题有帮助的结 论。这些研究结果表明，汽车动力传动系弯曲振动是造成离合器开裂的主要原因。 进入8 0 年代，前苏联学者a 见t a p a c o b 用试验方法研究了汽车壳体破坏与动 力装置弯曲振动的关系。实验结果表明：动力装置壳体件的损坏与汽车传动系轴 向力没有关系。共振弯曲振动是造成离合器壳体破裂的主要原因。壳体件的破坏 还与动力总成连接螺栓的松动、结合处密封损坏等因素有关【l5 1 。动力总成的悬 置位置及参数对动力总成共振弯曲振动影响不大。 开始于上世纪八十年代，国内汽车工程师对离合器壳体开裂问题做了一些有 意义的研究工作【1 6 】。吉林工业大学以冯振东教授为首的课题组，采用模态分析 与结构修改的有限元灵敏度分析相结合的方法，从理论和试验两方面对离合器壳 体早期破裂的原因和控制措施进行了研究，得到两点结论：一、该轻型客车动力 总成垂直方向第一阶弯曲振动模态的固有频率低于发动机的额定最高转速所对 应频率，该阶模态下的动力总成弯曲共振是造成离合器壳体早期破裂的主要原 因。二、轻型客车动力总成主要回转件的实际不平衡质量超过其设计允许值的四 2 江苏大学硕士学位论文 倍，是造成动力总成弯曲共振的主要原因。 对于二汽生产的e q l 4 0 型货车出现的离合器壳体频繁开裂问题，黄家腾等采 用实验方法在整车条件下进行了该车动力总成的振动特性实验模态分析和应力 分析【1 7 1 。得出结论：该车垂直方向一阶弯曲振动固有频率为5 0 h z ，水平侧向一 阶弯曲振动固有频率为4 5 h z ，低于发动机最高转速下所对应的固有频率，离合 器壳体的开裂是由该动力总成水平侧向一阶弯曲振动模态下的共振造成的。提出 改进措施：控制曲轴飞轮组的不平衡质量；增强加强筋来提高离合器壳体的侧向 抗弯刚度和提高动力总成悬置侧向刚度。 1 9 9 8 年，昆明理工大学的黄亚宁和李世芸基于弹性力学运用有限元法对某汽 车离合器壳体破裂原因进行了研究分析【1 8 】。建立了离合器壳体的有限元模型， 把与离合器相连的发动机和变速箱壳体进行了刚化处理，边界条件进行简化，按 假设的几种工况分别对离合器壳体进行了静态和动态的有限元分析。分析结果证 明，离合器壳体开裂不是由静力载荷造成的。离合器壳体在其第一、二阶弯曲振 动频率附近受到激振力而产生共振是造成壳体开裂的原因。最后提出三种改进措 施：其一，加强质量控制，对从发动机到驱动桥的整个传动链回转件的加工精度 严格要求，调整传动链布置方案，减少激振源；其二，在离合器壳体和发动机及 变速箱之间加弹性垫减振；其三，对壳体进行局部调整，采用移频法通过调整壳 体的局部结构改变壳体刚度。 清华大学朱张校等人运用金相显微镜、扫描电镜和能谱仪等现代分析仪器， 从金属材料微观组织结构的角度，研究了汽车离合器壳体破裂的原卧1 9 1 。分析 表明离合器壳所用材料强度低、气孔多，使材料韧性降低。壳体侧面的内表面没 有过渡圆角，导致应力集中；壳体在弯矩和强烈振动的作用下，在应力集中部位 出现裂纹，导致开裂破坏。 北京理工大学的刘建宾，对切诺基汽车动力总成建立了简化模型，通过模态 分析和谐响应分析计算出动力总成的固有频率，深入分析了离合器壳体的破裂原 因，根据实际的情况提出改进方案 2 0 1 。 综上所述，离合器壳体的早期破裂是由多方面的原因造成的。根据离合器壳 体结构形状和承载情况的不同，研究离合器壳体破裂的原因时，所应用的方法和 侧重点也会有一些不同，但不难从前人的研究中得出这样的结论，离合器壳体的 3 基于有限元法的汽车离合器壳破裂问题分析研究 破裂不是由单一的原因引起的【2 1 1 ，它是各种原因综合作用的结果。 1 3 本文的主要研究工作 对分离式离合器进行的研究己有不少，在利用有限元方法计算离合器壳体强 度时，较少考虑周围相关零部件对壳体强度的影响，没有对边界条件的处理做出 详细而准确的分析，很明显是与实际情况不符的。另外没有考虑螺栓预紧力，仅 仅把螺栓当作零位移约束来处理，所以有一定误差【2 2 1 。若在总成条件下分析壳 体强度，能够比较真实地模拟壳体位移边界条件以及载荷边界条件，使壳体的强 度分析结果更加合理可信。 对于整体式离合器的研究，在以往的文献中涉及并不多。本文所进行的整体 式离合器的结构分析，正是综合考虑动力传动件的受力情况，对发动机机体、整 体式离合器、变速箱动力总成进行综合分析，使边界条件的设置准确合理，通过 有限元分析，由应力的变化趋势找出应力集中部位，对薄弱部位进行优化改进。 为了分析离合器壳体早期开裂的问题，本文通过大型c a d c a e 商用软件创 建发动机机体离合器壳一变速箱的组合有限元模型，且考虑各零件间的接触模 型，对离合器壳体开裂成因进行数字仿真研究，主要有结构强度和刚度分析以及 动态分析，特别是对动力总成进行载荷边界条件的合理确定以及对变形评价。在 分析计算结果的基础上，对离合器壳体进行优化设计。离合器壳体破坏的原因很 多，其中离合器的变形不仅会产生附加的弯曲应力，还会使离合器不能正常工作， 因此不能单纯用应力指标来评价离合器壳，还需用关键部位的变形指标来进行评 价，才更完善。 本课题以汽车动力总成为研究对象，针对离合器壳开裂的实际问题，应用有 限元分析的方法，对动力总成固有特性以及整体式离合器壳体结构强度和刚度进 行研究，探索分析影响离合器壳开裂的因素，并提出有效的结构改进方案，做进 一步的计算分析。 本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 有限元模型的建立。用三维造型软件p r o e 对动力总成各零件进行三维 实体建模。动力总成模型主要包括：发动机机体、离合器壳、变速箱及各零件之 间的连接螺栓。用h y p e r m e s h 对各个零件划分网格，划分时保证接触部分的网格 4 江苏大学硕士学位论文 尽可能相同，并在其中做好各接触面的接触对，建立有限元计算模型。 ( 2 ) 介绍动力总成组件有限元分析的前处理工作，主要包括边界条件的确 定及计算工况的选择等。对动力总成相关零件进行受力分析，计算出壳体受力情 况，准确施加载荷边界条件。 ( 3 ) 把网格模型导入a n s y s 中，用a p d l 语言设定各种参数，并编好约束、 加载程序然后求解，进行结构强度分析。 ( 4 ) 利用有限元软件a n s y s 对动力总成进行模态分析，考察动力总成的 振动情况，分析固有频率和振型，找出振动的薄弱环节。 ( 5 ) 尝试探索一些评价指标，分析相关部位的变形情况。用a p d l 语言编 写程序取出轴承孔上的所需数据，用m a t l a b 编写程序对相关数据进行后处理。 ( 6 ) 综合分析计算结果，提出改进方案，并对其进行复算，分析和判断改 进效果。 ( 7 ) 对整体式离合器壳和分离式离合器壳进行比较分析，考察两种形式壳 体的结构强度刚度和动态特性。 5 基于有限元法的汽车离合器壳破裂问题分析研究 第二章有限元理论及分析技术 2 1 有限元的基本概念 有限元法实质上是把具有无限个自由度的连续系统理想化为只有有限个自 由度的单元集合体，从而使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。有限元法 以变分原理和剖分插值为基础。计算时先根据问题的物理性质建立起单元特性公 式，然后再把各单元连在一起建立以节点上某物理量为未知数的多元线性方程组 进行求解，以取代对原结构的求解 2 3 - 2 6 1 。有限元结构分析的过程分为6 个步骤： ( 1 ) 结构的离散化 结构离散化是将分析的结构分割成有限个单元体，在单元体的指定点设置节 点，使相邻单元的相关参数具有一定的连续性，构成一个单元的集合体，以代替 原来的结构，并把弹性体边界的约束用弹性体边界上节点的约束来代替。 ( 2 ) 选择位移函数 位移矩阵为： = 朋 田8 ( 2 1 ) 式中： 厂) 一单元内部任意点位移； 万) 8 一单元节点的位移；i n 】一形函数矩阵。 ( 3 ) 分析单元的力学性能 1 ) 由几何方程，即从( 2 1 ) 式导出用节点位移表示的单元应变为： 占) = b 田8 ( 2 2 ) 式中，p 单元内各点应变， b 】应变矩阵。 2 ) 由本构方程导出用节点位移表示的单元应力为： 田= d 占) = p 别 田8 ( 2 3 ) 式中， 仃) 单元应力向量， d 弹性矩阵。 3 ) 由变分原理建立单元上节点力与节点位移之间的关系式，即平衡方程： 毋。= 幻。 毋。 ( 2 4 ) 式中，瞄】8 为单元刚度矩阵，其形式为： 6 江苏大学硕士学位论文 】乞 b 】1 d b l d x d y d z ( 2 5 ) ( 4 ) 集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程。 根据节点的平衡条件，叠加相应的刚度矩阵和载荷，便得到整个构件的平衡 方程组【2 7 - 2 9 。根据边界条件再修改总刚度矩阵和载荷列阵，就能求出节点位移。 ( 5 ) 求解未知节点位移和计算单元应力。 ( 6 ) 整理并输出结果，可以输出应力、应变以及位移等值。 2 2 边界条件的确定方法 边界条件的确定方法大体可以分为以下三类： 1 ) 解析法 由于解析法具有方便、准确的优点，历来受到人们的重视。发动机零部件的 运动学和动力学计算是一种典型的确定发动机零部件工作状态的解析法。比如采 用变区间积分法求出气缸内壁沿高度分布的换热边界条件3 明；对风冷柴油机气 缸盖的换热边界条件进行研究，提出其火力面和冷却侧换热边界条件的计算方法 3 h 。另外，对于明确的位移边界条件和设计时根据经验确定的参数( 如螺栓预紧 力【3 2 】、零部件转速等) 也可认为是属于解析法确定的边界条件。 2 ) 试验法 对于难以解析确定的边界条件，试验是一种行之有效的方法。比如，以试验 测出的零件表面温度作为温度场分析的第l 类边界条件。试验测定值通常比解析 确定值更能反映零件的实际工作状态。比如以相同的拧紧力矩拧紧缸盖螺栓，而 实际得到的螺栓预紧力差异较大【3 3 1 。根据试验值，结合数学回归的方法，建立 近似的计算经验公式，这为边界条件的解析化奠定基础。 3 ) 试算法 对于既难以解析确定，又难以试验测出的边界条件，可先作假设，再通过以 某一测量值为标准值进行试算，使计算结果与标准值吻合，从而确定出边界条件。 比如以某些测定点的温度为标准值通过试算来确定缸盖的换热边界条件，试算过 程中也可以通过编制的自适应迭代程序由计算机自动完成【3 6 】。 7 ， 基于有限元法的汽车离合器壳破裂问题分析研究 、 第三章动力总成组件有限元分析前处理 由于汽车的使用条件非常复杂，时间也不固定，有影响且变化的因素很多， 使零件的应力值会有很大范围变动，甚至应力性质也会变化。因此，确定汽车零 部件所承受的实际载荷要比确定其他机械产品的载荷复杂得多。而引起零件产生 应力的力有些是恒定的( 例如重力、零件装配时产生的预紧力或过盈力) ，有些 是不定的( 比如汽车起步时和制动时产生的力，零件制造误差引起的力，发动机 工作工况改变而引起的转矩及力的改变【3 7 - 3 9 1 ，行驶阻力引起的力等) 。 载荷与位移约束决定了模拟工况与实际工况的近似程度。正确施加载荷与位 移约束是得到准确计算结果的前提条件，也是有限元分析技术应用到工程领域的 一个关键环节 删。影响壳体强度计算的因素主要有壳体受力以及周围零部件的 结构刚度。进行壳体结构强度分析要准确地设置边界条件，与实际状况相符合。 3 1动力总成组件的基本情况 本课题以某卡车的动力总成为研究对象进行分析、改进。该汽车配置的发动 机来源于江苏某柴油机厂的增压中冷直喷型柴油机，y z a l 0 5 型柴油机主要技术 参数如下： 额定功率： n e = 9 5k w 额定转速： n = 2 8 0 0r m i n 最大扭矩：t 。盥x = 3 8 0n m 最大扭矩转速： n 1 = 16 0 0r m i n 最大爆发压力：p ：= 1 3 5m p a 气缸数： i = 4 活塞行程： s = 1 1 8r e a l 活塞直径：d = 1 0 5m i l l 缸心距：l = 1 2 4m l l l 工作容积： v h - - - - 4 0 8 7l 压缩比：占= 1 7 离合器型式：单片、干式、膜片弹簧式，摩擦片直径3 2 5 m m 。 该汽车配置1 7 d 4 5 型变速箱，其主要技术参数如表3 1 所示： 江苏大学硕士学位论文 表3 1 变速箱技术参数 t a b 3 1t r a n s m is s i o nt e c h n i c a lp a r a m e t e rt a b l e 名称数据 最大输出转矩( n m ) 中心距a ( m m ) 各档传动比 齿轮形式 第一轴轴承座孔内径与轴承外径配合间隙 ( r a m ) 第二轴轴承座孔内径与轴承外径配合间隙 ( r n m ) 中间轴轴承孔内径与轴承外径配合间隙 ( r a m ) 第一、二轴孔与中间轴孔轴心线的平行度 ( r a m ) 3 0 0 0 1 2 1 5 1 档2 档3 档4 档5 档倒档 7 3 14 3 12 4 5 1 5 4 17 6 6 常啮合斜齿轮带惯性锁销式同步器 加0 1 2 + 0 0 6 5 使用限度0 0 9 - 0 0 1 0 + o 0 3 3 使用限度0 0 9 0 + 0 0 4 3 使用限度0 1 2 不大于0 1 0 3 2 分析模型的建立 3 2 1三维模型的建立 利用三维造型软件p r o e 对该汽车动力总成各零件进行三维实体建模。动力 总成模型主要包括：y z a l 0 5 柴油机机体、气缸套、主轴承盖、当量起动电机、 离合器壳、变速箱及各零件之间的连接螺栓等。考虑到整个模型的大小和计算条 件因素，建模过程中根据分析的需要，确定建模的重点部位，并且考虑了气缸盖 的当量质量，在保证不影响模型分析精度的前提下，对原始的三维实体模型进行 必要的结构简化。 主轴承盖螺栓、离合器与机体及变速箱连接螺栓的六角柱体螺栓头改为了圆 柱体，有利于减少节点和不良单元的数目 4 1 1 。 变速箱附属零部件的连接螺栓改成双头螺柱，减少计算单元【4 2 】。 忽略了各铸造零件的拔模斜度、小于r 5 m m 的不重要的铸造圆角以及一些 不重要的小特征。所有的模型特征均按图样上的名义尺寸进行创建，不考虑铸造 o 基于有限元法的汽车离合器壳破裂问题分析研究 或机械加工的偏差【4 3 1 。图3 1 所示的就是动力总成的几何模型图。 3 2 2 单元的选择 在a n s y s 丰富的单元库中，有用于各种计算分析的单元。在本论文中选择 单元时主要按照以下原则4 4 - 4 6 ： 1 ) 采用的单元能够较精确地模拟被分析部件的几何形状，以尽可能地减小计 算物理模型的误差； 2 ) 采用的单元能够较容易地自动生成网格，以缩短分析计算周期。在保证 计算精度的前提下，尽量减少节点数目，降低计算规模。 对于结构复杂的大型有限元分析来说，手工生成计算网格几乎是不可能的， 另外，考虑到机体及其组件在结构上的复杂性和几何尺寸的因素4 刀，本次对动 力总成的有限元分析主要采用了四节点四面体单元( a n s y s 中的s o l i d 4 5 单 元) 。柴油机机体、变速箱等组件均采用了这种单元。为了提高离合器壳体计算 的精确度，对离合器壳体采用s o l i d 9 2 的十节点四面体单元。 本文的接触单元选择c o n t a c t l 7 3 单元和t a r g e t l 7 0 单元。 c o n t a c t l 7 3 单元用于模拟3 d “目标 面( 粼e t l 7 0 ) 和变形面之间的接 触和滑移。t a r g e t l 7 0 单元用于模拟多种多样的与接触单元( c o n t a c t l 7 3 ) 相对应的3 d “目标 面【4 8 - 5 3 1 。 3 2 3 有限元模型的建立 在上述三维实体模型的基础上，利用a l t a i r 公司的h y p e r m e s h 软件进行有限 元网格的划分，消除所有病态网格，确保网格的质量。图3 2 是简化处理后的有 限元网格模型。 有限元模型的坐标原点位于第5 主轴颈中心处，其各坐标轴指向如图3 2 所 示：x z 平面为通过主轴承孔中心线和各缸中心线的平面，x y 平面为通过主轴 1 0 江苏大学硕士学位论文 承孔中心线并垂直于各缸中心线的平面，y z 平面垂直于上述两平面并通过第5 主轴颈中心。x 轴的正向为由第4 缸指向第1 缸，z 轴正向为由气缸盖指向曲轴， y 轴正向为由排气管一侧指向进气管一侧。 图3 2 动力总成结构的有限元模型 f i g 3 2f i n it ee l e m e n tm o d e lo f t h ep o w e ra s s e m b l y 3 2 4 材料属性 在有限元计算中，材料参数定义的是否正确对计算结果有很大的影响，因此， 在本文计算中尽可能采用精确的材料参数。主要材料参数如表3 2 所示。 ， 表3 2 材料参数【蚓 t a b 3 2m a t e r i a lp a r a m e t e rt a b l e 3 3 边界条件 整个动力传动系的激振力极为复杂，其中包括路面激励、传动轴的不平衡质 量所引起的惯性力、曲轴飞轮组的不平衡质量所引起的惯性力、发动机的往复质 量所引起的惯性力、发动机和负载的扭矩波动，还包括系统中有关零件的激励特 性，如轴承的时变刚度，支撑的时变刚度等。 本章有限元组件分析中的位移边界条件根据实际的三点支承施加，力边界条 件包括螺栓预紧力和燃气爆发压力，以及发动机的倾覆力矩、变速箱轴承孔处所 受的支反力和重力。在预紧工况下，力边界条件有螺栓预紧力和重力；工作工况 下，力边界条件包括所有的载荷。 基于有限元法的汽车离合器壳破裂问题分析研究 3 3 1位移约束 根据实际情况，本次有限元组件分析中的位移边界条件模拟动力总成的三点 支承，对左前悬支架施加位移全约束，对右前悬支架施加x 、z 方向的位移约束， 在变速箱项部施加y 、z 方向的位移约束。约束如图3 3 所示。 3 3 2 螺栓预紧力 图3 3 位移边