毕业设计（论文）-基于有限元分析的汽车桥壳设计.doc

基于有限元分析的汽车桥壳设计 摘要驱动桥桥壳是汽车上重要的承载件和传力件，作为具有广泛应用市场的非断开式驱动桥的桥壳不仅支承汽车重量，将载荷传递给车轮，而且还承受由驱动车轮传递过来的牵引力、制动力、侧向力、垂向力的反力以及反力矩，并经悬架传给车架或车身。并且在汽车行驶过程中，由于道路条件的千变万化，桥壳受到车轮与地面间产生的冲击载荷的影响，可能引起桥壳变形或折断。因此，驱动桥壳应具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，合理地设计驱动桥壳也是提高汽车平顺性的重要措施。 本论文以某货车的驱动桥壳为研究对象，通过利用Pro/e软件建立桥壳几何模型，利用有限元分析软件ANSYS对桥壳进行了静强度、静态刚度特性、疲劳强度和模态分析，从而检测桥壳是否具有足够的强度和刚度。另外，为了轻量化，对桥壳进行了结构优化设计，并对优化后的桥壳进行了结构有限元分析，验证了优化结果的正确性。 研究结果表明：在货车驱动桥壳结构设计阶段应用有限元法极大地缩短了产品的开发周期、提高了产品性能、质量和可靠性，降低了产品的开发成本并提高产品竞争力。该方法具有普遍性，可以为其他类型的驱动桥桥壳的设计和分析提供借鉴和参考。 关键词：驱动桥壳；静态分析；疲劳分析；模态分析；优化设计 Automobile axle housing design based on finite element analysis ABSTRACT Drive axle housing is an important bearing on the automotive parts and power transmission parts, axle housing as a non.driving axle off the market with a wide range of applications not only support the weight of cars, load can be transmitted to the wheels, but also drive the wheels passed over by the bear traction, braking force, the lateral force, vertical force reaction force and counter moment, and passed through the suspension frame or body. And in the car driving process, due to the ever.changing road conditions, affected by the impact of axle loads between the wheels with the ground, it may cause deformation or broken axle. Thus, the drive axle housing should have sufficient strength, rigidity and good dynamic characteristics, the rational design of the drive axle housing is also an important measure to improve the cars ride.In this paper, a truck drive axle housing for the study, through the use of Pro / e software to establish axle geometry model, using finite element analysis software ANSYS axle housing static strength and static stiffness properties, fatigue strength and modal analysis, thereby detecting the axle has sufficient strength and rigidity. In addition, in order to reduce the weight, of the axle housing structure optimization design and axle were optimized structural finite element analysis to verify the correctness of the optimization results.The results show that: in the truck drive axle housing design phase using the finite element method greatly shorten the product development cycle, improve product performance, quality and reliability, reduce product development costs and improve product competitiveness. The universal method can provide reference for other types of drive axle housing design and analysis.Keywords: Drive axle housing; Static analysis; Fatigue analysis; Modal analysis; Optimization design 目 录1绪论11.1 研究背景11.2研究的意义与目的12 有限元法概述与汽车工业的应用42.1有限元法的概述42.2有限元法的汽车工业的应用82.3零部件的有限元分析流程83 汽车驱动桥设计及三维模型建立103.1 汽车驱动桥结构介绍103.1.1可分式桥壳103.1.2整体式桥壳103.1.3组合式桥壳123.2 桥壳的设计计算123.2.1 桥壳的静弯曲应力计算123.2.2 在不平的路面冲击载荷作用下桥壳的强度计算143.2.3 汽车以最大牵引力行驶时桥壳的强度计算143.2.4汽车紧急制动时桥壳的强度计算163.3驱动桥桥壳模型的建立184 桥壳结构静力学分析204.1 几何体文件转换204.1.1 Pro/E导出文件204.1.2 ANSYS导入文件224.2 定义桥壳单元材料属性244.2.1添加材料库244.2.2 添加模型材料属性254.3 有限元模型网格划分原则274.4 桥壳结构模型的网格划分294.5 施加载荷与约束304.6 结果后处理334.7 保存与退出355 桥壳疲劳寿命的有限元分析365.1疲劳分析简介365.2 疲劳分析385.3 保存与退出436 如何加强中国汽车应用CAE设计与改进446.1汽车结构强度分析446.2 车身覆盖件成型过程的计算机仿真446.3 汽车碰撞安全性分析456.4汽车结构优化50总结52致谢53参考文献54基于有限元分析的汽车桥壳设计1绪论1.1 研究背景计算机的出现给社会带来了深刻的变革,同时也为工程结构的设计、制造提供了强有力工具。汽车产业属于高科技产业,要设计生产出性能优越、安全可靠的汽车,不应用计算机进行辅助设计分析是不太可能实现的。因此,汽车的各个生产设计部门都非常重视在设计制造过程中采用计算机技术。其中,用于结构设计中的有限元法是近几十年发展起来的新的计算方法和技术,可以解决以往许多手工计算无法解决的问题,为企业带来巨大的经济效益和社会效益。在汽车行业中,有限元法广泛应用于各大汽车总成,包括车架、车身、车桥、离合器、轮胎等零部件以及驾驶室噪声的分析,大大提高了汽车的设计水平,正在成为设计计算的强有力工具之一。目前,在进行汽车驱动桥壳设计时,设计人员主要采用的还是传统的办法对驱动桥壳进行简化的计算,或者由其它部门进行有限元分析计算。驱动桥壳的这种设计模式导致的问题包括两个方面一是驱动桥壳简化计算精度不够,为保证强度及刚度要求而使驱动桥壳的设计过于安全,造成设计出的驱动桥壳质量过大,增加了成本二是造成驱动桥壳的设计与计算分离,不利于提高驱动桥壳设计人员的设计水平。为了促进驱动桥壳设计水平的提高,保证整车在市场上的竞争能力,必须将驱动桥壳有限元分析技术提高到战略的高度上来。因此,本文以某汽车驱动桥壳为研究对象,对驱动桥壳结构进行设计和有限元模型的建立、静态特性及疲劳分析。1.2研究的意义与目的 货车驱动桥壳是汽车的主要传力件和承载件，与从动桥壳共同支承车架及其上的各总成重量，承受由车轮传来的路面反作用力和力矩。驱动桥壳又是主减速器、差速器及驱动车轮传动装置的外壳。因而驱动桥壳应具有足够强度和刚度，便于主减速器的拆装和调整。 根据汽车设计理论，为保证车桥工作的安全性和可靠性，驱动桥壳设计时应满足应力和变形要求，局部应力集中不应导致桥壳的断裂或塑性变形。因此对驱动桥壳进行应力、变形分析，提高工作可靠性具有非常重要的意义。但汽车驱动桥壳形状复杂，且汽车的行驶条件千变万化，利用传统方法很难精确计算桥壳各处的应力及变形大小。然而利用有限单元方法对其进行计算和分析可以得到较为准确的分析结果。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的速度日益加快。汽车产品开发的一个重要手段就是变型设计,即以现有产品为基础,保持其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。为保证驱动桥桥壳变型设计的可行性和工作的可靠性,在设计过程中必须对其应力分布、变形、动态特性和疲劳寿命进行计算和校核。 近年来,在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元,分析方法为解决复杂的工程分析计算问题提供了有效途径。随着技术的大力推广和企业的应用,机械行业中的工程技术人员已逐步甩掉图板,而将主要精力投身于如何优化设计、提高工程和产品质量上来。于是计算机辅助工程分析的方法和软件成为关键的技术要素。汽车产品开发的新技术不断涌现,产品的开发周期从年、年、年发展到目前的年甚至更短的时间。其主要原因是计算机辅助造型、计算机辅助设计、计算机辅助工程分析、计算机辅助制造、计算机辅助试验、计算机集成制造系统以及计算机虚拟现实系统等一大批先进技术得到了应用,从而迅速缩短了汽车业的产品开发周期。1.3国内外发展状况 1、国内研究现状 过去我国主要采用对桥壳样品进行台架试验和整车行驶试验来考核其强度和刚度,有时采用桥壳上贴应变片的电测方法,让汽车在选定的典型路段上满载行驶,以测定桥壳的应力但这些方法都是在有桥壳样品的情况下才能采用。传统的驱动桥桥壳设计方法,是将其看成简支梁并校核特定断面的最大应力值。但这种方法不可避免的经验性、局限性和盲目性已经暴露出来。有限元法是一种现代化的结构计算方法。在国外,世纪年代前后,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。例如,日本有的公司对桥壳的设计要求是在满载轴荷的作用下,各断面弹簧座处、桥壳与半轴套管焊接处、轮毅内轴承根部圆角处的应力不应超过其材料的屈服极限。国内也出现很多利用有限元软件对驱动桥桥壳建模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深入合理。通常在提高桥壳强度的方案选择上,大体上有三种观点使用高强度合金材料。通过合理的热处理,提高桥壳抵抗破坏的能力。加大桥壳尺寸,提高桥壳的抗弯截面模量。许多专家对此问题做过深入研究,提出了宝贵的方案,但最终都倾向于从结构上解决问题。近些年来,许多研究人员与企业联合,利用有限元法对驱动桥壳结构进行各种工况的研究工作和疲劳寿命分析。但与国外的研究相比有较大差距,主要表现在对结构轻量化所带来的社会效益和经济效益认识不够用先进的设计理念指导实际设计生产的意识淡薄先进设计理念的实际应用较少,导致新制造工艺开发缺乏动力,新工艺对结构轻量化的贡献没有体现出来是按照经验修改主要部件的参数尺寸,往往只校核在一般静态工况下的强度、刚度国内用于研究的硬软件设施落后,科研力量较弱。 2、国外研究现状 1990年10有美国波音公司开始在计算机上对新型客机 B.777 进行“无纸化设计”，仅用了三年半时间，于1994年4月第一架 B.777 就试飞成功，这在制造技术史上具有划时代的意义，其中在结构设计和评判中就大量采用了有限元分析这一手段。在有限元分析的发展初期，由于其基本思想和原理的“简单”和“朴素”，以至于许多学术权威都对其学术价值有所鄙视，国际著名刊物 Journal of Applied Mechanics 许多年来都拒绝刊登有关有限元分析的文章。然而现在，有限元分析已经成为数值计算的主流，不但国际上存在如 ANSYS 等数种通用有限元分析软件，而且涉及有限元分析的杂志也有几十种。2 有限元法概述与汽车工业的应用有限单元法的基本思想是将连续的求解区域分解为一组由有限个单元以某种方式相互联结在一起的组合体。也就是用一个离散结构来代替原结构，作为真实结构的近似力学模型，以后的数值计算就是在这个离散结构上进行的。本章将从有限元弹性力学基础和板壳问题有限元基础理论两个方面来阐述车身有限元理论问题。2.1有限元法的概述 弹性力学是研究弹性体在载荷及其他外部因素作用下产生的应力、应变和位移。由于应力、应变和位移都是空间坐标的函数，也就是说各个点的应力、应变和位移一般是不同的，因此在弹性力学里假想物体是由无限多个微小六面体（称为微元体）所组成的。在考虑任一微元体的平衡，写出一组平衡微分方程及边界条件时，未知应力数目总是超过微分方程的个数，所以弹性力学问题都是超静定问题，要求解这类问题还必须考虑微元体的变形条件及应力与应变的关系（相应称为几何方程和物理方程）。平衡方程、几何方程和物理方程以及边界条件，称为弹性力学的基本方程。综合考虑这三方面的方程，就有足够数目的微分方程来求解未知的应力、应变和位移，而微分方程求解中出现的常数，则根据边界条件来确定。从取微元体入手，综合考虑静力、几何、物理三方面条件，得出其基本微分方程，再进行求解，最后利用边界条件确定解中的常数，这就是求解弹性力学问题的基本方法。 弹性力学中采用如下基本假设： （1）假设物体是连续的 认为在整个物体内部，都被组成该物体的介质所充满，而没有任何空隙。这样，物体中的应力、应变、位移等物理量才可能是连续的，才可能用坐标的连续函数来表示它们的变化规律。如不连续，则发展成为颗粒弹性力学。 （2）假设物体是均质的 认为整个物体在各点都具有相同的物理性质。这样，物体各部分才具有相同的弹性，物体的弹性才不随位置坐标而改变。（3）假设物体是各向同性的 认为整个物体在各点都具有相同的物理性质。这样，物体的弹性常数才不随 方向而变。反之，称为各向异性，如木材。 （4）假设物体是完全弹性的 就是说物体产生变形的外力及其他因素（如温度改变等）去除之后，能完全恢复原形而没有任何剩余变形。这样的材料服从虎克定律，即应变与引起应变的应力成正比，弹性常数为常量。如不满足，则为塑性力学。（5）假设物体的位移和应变是微小的假设物体在外力和其他因素作用下，所有各点的位移都远远小于物体原来的尺寸。这样，在研究物体受力变形后的平衡状态时，可以不考虑物体尺寸的变化，而仍用变形前的尺寸；并且在研究物体变形时，对于变形的二次幂和乘积都可略去不计。这样就使得弹性力学中的基本方程简化为线性的，而且可以应用叠加原理。 图2.1 弹性微元的应力载荷、应力、应变和位移是弹性力学中的几个主要物理量，弹性力学的基本方程就描述了弹性体内任一点的应力、应变、位移以及外力之间的关系，它包括平衡方程、几何方程和物理方程。 （1） 平衡方程弹性体受力以后仍处于平衡状态，因此其上的应力和体力在x、y、z三个方向上分别满足以下平衡方程。 （2.1）平衡方程是弹性内部必须满足的条件，它说明六个应力分量不是独立的，它们通过三个平衡方程相互联系。（2） 几何方程几何方程描述几何量应变和位移之间的关系，其矩阵形式为： （2.2） 式（2.2）说明一点的六个应变分量可用该点的三个位移分量表示，因此六个应变分量也不是独立的。（3） 物理方程物理方程描述应力分量与应变分量之间的关系，这种关系与材料的物理特性有关。物理方程共有六个，其形式为 （2.3）式中，E为材料的弹性模量，G为切变弹性模量，u为泊松比。它们满足式 （2.4）从式（2.3）的前三式解出，从后三式解出并考虑式（2.4）后，物理方程也可写成矩阵形式 （2.5） 式中 （2.6）称为弹性矩阵，由弹性模量E和泊松比u确定，与坐标无关。由上可见，三类基本方程中包括15个方程，含有六个应力分量、6个应变分量和3个位移分量共15个未知量，因而原则上可以解出这15个物理量。实际求解时并不是同时求出全部的未知量，而是先求出一部分，再通过基本方程求出其他未知量。根据基本未知量的选法不同，也就产生了三种不同的解题方法位移法、应力法和混合法。1）应力法，这是以弹性体内点的应力分量为基本未知量的方法。求得应力分量后，由物理方程求应变分量，再由几何方程求位移分量。由于几何方程数目多于未知位移分量数目，故此解法中，仅当应变分量间满足一定的关系（这种关系称为相容方程或变形连续条件）时，才能求得单值连续的位移解。2）位移法，这是以弹性体内点的位移分量作为基本未知量的方法。求得位移分量后，用几何方程求应变分量，再由物理方程求应变分量。目前有限元法大多采用位移解法14。 2.2有限元法的汽车工业的应用有限元技术在汽车产品开发中的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：汽车零部件结构强度、刚度的分析、在结构动力学分析方面：结构动力学、在汽车流场，温度场方面的应用、在汽车被动安全方面的应用等。在国外，大型汽车公司经过近百年的汽车设计制造，在汽车结构分析和设计方面积累了丰富的试验数据和理论分析经验，形成了实用的结构分析数据库、设计改正记录和设计规范。目前应用于整车或零部件开发上比较成熟的方面主要有：刚度、强度分析（应用于整车、大小总成与零部件分析以实现轻量化设计），NVH分析（各种振动、噪声，包括摩擦噪声、风噪声等）、机构运动分析等。目前，国内对工程车辆进行的分析，主要还是集中在大小总成与零部件的强度和刚度的静态分析。如吉林大学的宁富立1对混凝土泵车伸缩支腿的刚度，应力分布和接触情况进行的有限元分析，河南科技大学的李金晓2利用有限元方法，对某型号挖掘机工作装置的力学性能进行了分析。合肥工业大学的柏林3对某型载货汽车车架进行了有限元分析和拓扑优化等等。由于受到所以具备的计算机软、硬件的制约，以及车身建模过程涉及因素多而且结构很复杂，国内在整车有限元分析以及动态分析上的工作也做得较少，还有待于进一步的研究和探索。2.3零部件的有限元分析流程用有限元技术进行零部件强度分析主要包含以下几步：（1） 利用Pro/E建立零部件三维实体模型。（2） 建立零部件的有限元模型：将Pro/E中建立的三维实体模型ANSYS中进行必要的前处理，划分网格建立其有限元模拟模型。（3） 依据不同工况的整车动力仿真结果，施加约束和载荷。（4） 运行求解，得底盘零部件在一定载荷下的应力及变形，证其是否满足要求。 Pro/E零部件建立 ANSYS添加载荷添加约束 求解计算后处理，查看分析结果 图2.1 零部件有限元分析基本流程3 汽车驱动桥设计及三维模型建立3.1 汽车驱动桥结构介绍驱动桥桥壳是汽车上的主要零件，非断开式驱动桥的桥壳起着支承汽车载荷的作用，并将载荷传到车轮上。作用在驱动车轮的牵引力、制动力、侧向力和垂向力也是径桥壳传到悬架及车架或车厢上的。因此桥壳既是承载件又是传力件，同时它又是主减速器、差速器及驱动车轮传动装置的外壳4。在汽车行驶过程，桥壳承受繁重的载荷，设计时必须考虑：1.动载荷下桥壳有足够的强度与刚度；2.为了减小簧下质量以利于降低动载荷、提高汽车的行驶平顺性，在保证强度与刚度的前提下力求减小桥壳的质量。3.结构简单，制造方便有利于降低成本。4.结构应利于主减速器的拆装、调整、维修和保养。5.考虑所设计车辆的类型、使用要求、制造条件、材料供应。桥壳的结构大致分为：可分式、整体式和组合式。3.1.1可分式桥壳可分式桥壳如图3.1a所示，整个桥壳由一个垂直结合面分为左右两部分，每一部分均由一个铸件和压入其外端的半轴套管组成。半轴套管与壳体用铆钉联接。在装配主减速器及差速器后左右两半桥壳是通过在中央结合面初的一圈螺栓联成一个整体。其特点是桥壳制造工艺简单、主减速器轴承支承刚度好。但对主减速器的拆装、维修及调整很不方便。桥壳的刚度与强度比较低。由于上述的缺点现在已经很少采用。3.1.2整体式桥壳如图3.1b所示，整体式桥壳的特点是将整个桥壳制成整体，桥壳犹如一整体的空心梁，其强度及刚度较好，且桥壳与主减速器壳分为两部分，之减速器齿轮与差速器齿轮均安装在独立的主减速器壳内。构成单独的总成，调整好后再由桥壳中部前面装入桥壳内，并与桥壳用螺栓固定在一起。使主减速器与差速器的拆装、维修、保养、调整都很方便。整体式桥壳按其制造工艺分为：铸造整体式、钢板冲压焊接式和钢管扩张成形式三种。1.铸造整体式桥壳为了增强桥壳的强度与刚度，铸造整体式桥壳的两端注入较长的无缝钢管作为半轴套管，并用销钉固定。如图3.1c所示，每边半轴套管与桥壳的压配表面共有四处，由里向外逐渐加大配合表面直径，以得到较好的压配效果。铸造整体式桥壳的主要优点在于可制成复杂的而理想的形状，壁厚能够变化。可得到理想的应力分布，其强度与刚度均比较大，工作可靠。但质量大、加工面多、制作工艺复杂。故仅有在载荷大的重型货车上，也用于少数的中型汽车与越野车。图3.1 驱动桥的结构类型2.钢板冲压焊接整体式桥壳钢板冲压焊接整体式桥壳除了具有制作工艺简单。材料利用率高、废品率低、生产效率高以及制造成本低等优点外，还有足够的强度和刚度，特别是其质量小（仅为铸造整体式桥壳的75%左右），工作可靠。其主要缺点是桥壳不能做成复杂而理想的断面，壁厚一定，故难于调整应力分布。由于一系列的优点，钢板冲压焊接整体式在轿车、客车，轻、中型载货汽车上得到了广泛的应用。图3.2 钢管扩张成形整体式桥壳的扩张成形过程3.钢管扩充成形整体式桥壳如图3.2所示，由图可知其制造过程为：将钢管中间扩孔两端滚压变细，再加上焊接突缘与弹簧座等。这种制造工艺的生产效益高，材料利用率最高，桥壳虽然质量小，但强度与刚度都比较好，但需要专用的扩张成形的设备，适合于轿车、轻中型载货汽车的大量生产5。3.1.3组合式桥壳组合桥壳又称为支架式桥壳，如图3.1d所示，它将主减速器壳作为桥壳中间部分（铸件），而在其两端压入无缝钢管，再用销钉或塞焊予以固定而成。它具有的优点：质量较小，减速器与差速器的拆装、调整方便。但是它不具有像整体式桥壳那样可将主减速器与差速器总成调整好后再装入桥壳的优点，而需要变安装边调整。另外，组合式桥壳需要较高的加工精度，整个桥壳的刚度与强度与整体式桥壳相比相对较小。这样形式的桥壳主要应用在微型汽车，轿车及轻型以下的载货汽车。根据这次设计所参考的车型为轻型货车，因此采用钢板冲压焊接整体桥壳。3.2 桥壳的设计计算3.2.1 桥壳的静弯曲应力计算在两钢板弹簧座之间的弯矩为： （3.1）式中 汽车满载静止于水平地面时驱动桥给地面的载荷；取18130N；车轮的重力；驱动车轮的轮距；取1.30m;驱动桥壳上的两弹簧座之间的距离；取0.95m;如图3.3所示，为车桥的弯矩图。图3.3车桥的弯矩图 桥壳的危险截面通常在钢板弹簧附近。由于最大值的小于，且设计时不易准确预计，当无数据时可以忽略去。代入数字有：这样的弯曲应力 (3.2)式中 危险断面处桥壳的垂直弯曲截面系数（如图3.4所示）； 图3.4 桥壳弹簧座附近的断面形状初步圆管的断面，其中D=100,d=76。厚度都为12.则垂直水平弯曲截面系数分别有： 则静弯曲应力有：3.2.2 在不平的路面冲击载荷作用下桥壳的强度计算 当汽车高速行驶在不平的路面上时，桥壳除了承受在静载状态下的那部分载荷外，还承受附加的冲击载荷6。这时桥壳在动载荷下的弯曲应力为： （3.3）式中 动载荷系数，对轿车、客车取1.75；对载货汽车取2.5；对于越野车取3.0；由于是货车车桥的设计所以我们选2.5，则在该情况下弯曲应力有：3.2.3 汽车以最大牵引力行驶时桥壳的强度计算这时不考虑侧向力。图6.4所示，为汽车以最大牵引力行驶时桥壳的受力分析简图。此时作用在左右车轮上除了垂直反力外，尚有切反力。地面对左右轮的最大切向反作用共为 （3.4） 式中 发动机的最大转矩；取600N.m；传动系的最低传动比；取45.2621.04；传动系的传动效率，取0.9；轮胎的滚轮半径，取0.43m;代入数字有：后驱动桥壳在两钢板弹簧座之间的垂向弯矩为： （3.5）汽车加速行驶时的质量转移系数，对轿车取1.21.4；对载货汽车后驱动桥1.11.3. 取1.2；代入数字有： 由于驱动桥车轮的最大切向反力使桥壳也承受水平方向的弯矩，对于装用普通圆锥齿轮差速器驱动桥，在两簧座之间桥壳所受的水平方向的弯矩为 （3.6）代入数字有：桥壳还承受因驱动桥传递驱动转矩而引起的反作用力矩。这时在两钢板座之间桥壳承受的转矩： （3.7）式中 ，见式（3.4）说明；代入数字有：桥壳在钢板弹簧座附近的危险断面为矩形断面时，则在该断面处的弯曲应力和 扭转应力分别为： (3.8) （3.9）式中：MV,Mh.分别为桥壳在两板簧座之间的垂向弯矩和水平弯矩， MV,Mh，Wt.分别为桥壳在危险断面处的垂向截面系数、水平弯曲截面系数和扭转截面系数。图3.5 最大牵引力行驶时桥壳的受力分析简图代入数字分别有：桥壳的许用应力为300500MPa,许用扭转应力为150400MPa,可锻铸铁桥壳取小值，钢板冲压焊接桥壳取大值。根据以上计算的结果可知是符合要求的。由以上的公式可以知道合成应力合格，那么扭转应力也是合格的。3.2.4汽车紧急制动时桥壳的强度计算这时不考虑侧向力。图3.6为汽车紧急制动时桥壳的受力分析图。此时作用在左右驱动车轮上除了垂直反力外，尚有切向反力，即地面对驱动车轮的制动力。因此可求得：图3.6 汽车紧急制动时桥壳的受力分析简图紧急制动时桥壳在两钢板弹簧座之间的垂直弯矩及水平方向的弯矩分别为 （3.10）式中 汽车制动时汽车质量移动系数；对于载货汽车的后驱动桥可取=0.750.95；取0.85;驱动车轮与路面的附着系数，取0.8.代入数字有： 桥壳在两钢板弹簧座的外侧部分同时还承受制动力所引起的转矩 （3.11）代入数字有：计算弯曲应力与扭转应力与在最大牵引力行驶时桥壳计算的方法一致。根据以上计算出的结果与汽车以最大牵引力行驶时桥壳的强度计算结果比较。可以知道在此情况下设计选取的参数符合要求。3.3驱动桥桥壳模型的建立 建立几何模型是进行有限元分析工作的第一步，几何模型既可以由CAD 软件建立，也可以由有限元前后处理软件直接建立。考虑到驱动桥壳一般是由不规则曲面组成的复杂结构，本章应用CAD软件Pro/Engineer建立某驱动桥壳的几何模型，并对几何模型做适当的简化。 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该怎么简化。使用 Pro/E 建立几何模型，对结构进行简化的思路是： （1）尽可能使建模简化 因为结构越复杂，划分网格时模拟结构需要的单元就越多，分析时占用的资源也就越多。建立几何模型，可以将结构中的圆角简化成直角，既有利于简化建模，也有利于有限元模型建立过程中的网格划分。 （2）忽略细节特征 在建立几何模型时，对整体结构应力分布只产生较小局部影响的特征，如倒角和小孔等都可以忽略。因为网格划分过程中，诸如倒角和小孔等特征需要很多单元才能模拟。 （3）使用 Pro/E 对复杂结构的细节特征进行压缩 如果没有对复杂结构进行简化，也没有忽略细节特征，使用 Pro/E 提供的压缩（Suppress）特征的功能，也是简化模型的好方法。Pro/E 提供的压缩（Suppress）特征的功能，可以按照用户要求屏蔽复杂结构的特征，输出简化的结构模型。压缩特征时，必须注意以下几点： 1）压缩特征是否会改变模型的力学特性要考虑压缩的特征是保证结构强度必须的基本特征还是修饰特征。只能对修饰特征进行压缩，修饰特征一般指圆角、棱角、小的槽、定位孔等。2）压缩特征时需要注意特征间的父子关系如果被压缩的特征是其它关键特征的父特征，那么就必须重新定义特征的父子关系。3）同样的压缩对不同的结构分析类型可能产生不同的影响模态分析可以压缩的特征，也许并不适用于强度分析。如模态分析时可以忽略能够产生应力集中的特征，但在强度分析时就必须考虑这些因素。另外，压缩特征，可能会影响到优化分析。 基于以上思想建立驱动桥壳的几何模型时，根据驱动桥壳的结构和工作特点，在保持其力学性能不变的条件下，对桥壳结构进行了简化： 将桥壳结构中的圆角简化成直角，既有利于简化建模，也有利于有限元模型建立过程中提取中截面； 忽略掉加油口、放油口、固定油管和导线的金属卡、桥壳中部的开口槽、板簧座处的中心孔等几何特征 假设半轴套管和驱动桥壳是一体的，不是装配的； 简化了受力小而又引起截面突变的部分，如忽略了半轴套管的台阶，将半轴套管视为等直径的套管，忽略掉桥壳两端轴承座处的台阶； 将一些不等厚的结构假设成等厚度的，以便于中截面的定位。 桥壳三维模型如图 3.7所示： 图3.7 桥壳三维模型图4 桥壳结构静力学分析4.1 几何体文件转换4.1.1 Pro/E导出文件（1）在Pro/E软件菜单栏单击【文件】选项，单击【保存副本】，如图4.1所示。图 4.1单击【保存副本】选项（2）接着在【类型】选项中，选择【STEP】文件类型，如图4.2所示。 图 4.2【STEP】文件类型（3） 选择好保存文件路径和类型，点击确定出现图4.3所示的窗口后，单击【确定】完成Pro/E文件导出。图4.3 输出STEP窗口4.1.2 ANSYS导入文件（1） 打开ANSYS 14.0主界面如图4.4所示。 图4.4 ANSYS 14.0主界面（2）双击【Static Structural】选项，创建工程项目文档，如图4.5所示。 图4.5双击【Static Structural】选项 （3）右击【Geometry】选项，接着选择【Import Geometry】，然后选择【Browse】选项。如图4.6所示。 图4.6 导入文件选项最后打开保存Pro/E保存导出的文件所在的文件夹，选中刚才导出的STEP文件，单击打开，完成文件的导入。（4）完成文件导入后，返回主界面，双击【Geometry】选项进行ANSYS几何模型建模界面，在左边的工具栏右击【0 Parts，0 Bodies】选项，选择【Generate】选项，生成几何模型如图4.7所示。 图4.7 完成几何模型的导入 4.2 定义桥壳单元材料属性4.2.1添加材料库（1）双击项目中的【Engineering】选项，进入如图4.8所示的材料参数设置界面，在该界面下即可进行材料参数设置。 图4.8 双击【Engineering】选项（2） 在空白界面右击，选择【Engineering Bata Sources】选项，然后在【Outline of Favorites】工具栏选择【Structural Steel】选项，并单击后面的加号，最终如图4.9所示。图4.9 选择【Structural Steel】后面的加号4.2.2 添加模型材料属性（1）返回主菜单界面，双击主界面项目管理区项目中的【Model】选项，进入如图4.10所示Mechanical界面，在该界面下即可进行网格的划分、分析设置、结果观察等操作。 图4.10 Mechanical界面（2） 选择【Mechanical】界面左侧Outline（分析树）中Geometry选项下的PRT0002，此时即可在Details of “PRT0002”（参数列表）中给模型添加材料，如图4.11所示。 图4.11 添加材料（3） 选择参数列表中的Material下的Assignment选项，此时，会出现刚刚设置的材料Stainless Steel,即材料已经被添加到模型中，如图4.12所示，表示材料已经添加成功。 图4.12 添加材料后的分析树4.3 有限元模型网格划分原则 随着ANSYS功能的越来越强大和计算机性能的飞速提高，有限元分析向着大型化、复杂化的方向发展，而划分网格的观念也需要逐渐从二维模型向三维模型上上转变。这里主要描述三种常见的高级划分网格的方法，正确的理解和掌握这些划分网格的思想对于二次开发者来说非常的重要。1）延伸网格划分延伸网格划分是指将一个二维网格延伸生成一个三维网格；三维网格生成后去掉二维网格，延伸网格划分的步骤大体包括：先生成横截面、指定网格密度并对面进行网格划分、拖拉面网格生成体网格、指定单元属性、拖拉、完成体网格划分、释放已选的平面单元。这里通过一个延伸网格划分的简单例子来加深对这种网格划分的理解。 图4.13 延伸网格划分举例建立如图4.14所示的三维模型并划分网格，我们可以先建立z方向的端面，然后划分网格，通过拖拉的方法在z方向按照图中所示尺寸要求的三维模型，只需一部操作便能够完成从二维有限元模型到三维有限元模型的转化。2）自由网格与映射网格划分映射网格划分和自由网格划分是ANSYS里最常用的两种网格划分方法。自由网格是面和体网格划分时的缺省设置，生成自由网格比较容易主要步骤：a、导出 MeshTool 工具, 划分方式设为自由划分；b、推荐使用智能网格划分 进行自由网格划分, 激活它并指定一个尺寸级别.存储数据库。c、按 Mesh 按钮开始划分网格，按拾取器中 Pick All 选择所有实体 (推荐)。或使用命令 VMESH,ALL 或 AMESH,ALL。映射网格划分由于面和体必须满足一定的要求,生成映射网格不如生成自由网格容易 但能够生成更规则的有限元模型。映射网格划分时实体模型必须满足以下条件：a、面必须包含 3 或 4 条线 (三角形或四边形)；b、体必须包含4, 5, 或 6 个面 (四面体, 三棱柱, 或六面体)；c、对边的单元分割必须匹配；d、对三角形面或四面体, 单元分割数必须为偶数。 自由网格映射网格 图4.14 自由网格与映射网格3）层状网格划分 层状网格划分主要应用于2D分析生成线性过渡的自由网格，这种方法广泛应用于有以下特点的模型：平行于边线方向的单元尺寸相当、垂直于边线方向的单元尺寸和数目急剧变化、当分析要求边界单元高精度。效果图如图4.15所示。 图4.15 层状网格效果图4.4 桥壳结构模型的网格划分（1） 接着4.2节，如图4.16所示，选择Mechanical界面左侧Outline(分析树）中的Mesh选项，此时可在Details of “Mesh”（参数列表）中修改网格参数，本设计在Sizing中的Element Size中设置为0.05m,其余采用默认设置。 图4.16 生成网格（2） 在Outline(分析树）中的Mesh选项右击，在弹出的快捷菜单中选择Generate Mesh命令，此时会弹出如图4.16所示的进度显示条，表示网格正在划分，当网格划分完成后，进度条自动消失，最终的网格效果如图4.16所示。 图4.16 网格效果4.5 施加载荷与约束（1）选择Mechanical界面左侧Outline(分析树）中的Static Structual（A5)选项，此时会出现如图4.17所示的Environment工具栏。 图4.17 Environment工具栏（2） 选择Environment工具栏中的Support（约束）Fixed Support(固定约束）命令，此时在分析树中会出现Fixed Support选项，如图4.18所示。 图4.18 添加固定约束（3） 接着按住Ctrl按键，选择如图4.19所示两个面，然后单击【Alppy】完成固定约束的定义。 图4.19 施加固定约束（4） 如同（2）选择Environment工具栏中的【Loads】(载荷）【Force】(力）命令