某车型汽车驱动桥壳的力学分析毕业设计、说明书

东北大学硕士学位论文某车型汽车驱动桥壳的力学分析姓名王革新申请学位级别硕士专业车辆工程指导教师张天侠20060201东北大学硕士学位论文某车型汽车驱动桥壳的力学分析摘要作为汽车的主要承载件和传力件，驱动桥壳支撑着汽车的荷重，并将载荷传给车轮。作用在驱动车轮上的牵引力、制动力和侧向力，也是经过桥壳传到悬挂及车架或者车厢上。由于汽车的行驶工况比较复杂，驱动桥壳的使用寿命直接影响汽车的有效使用寿命，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和舒适性的重要措施。在汽车设计中，有限元法也得到应用。应用有限元法，对汽车的所有结构件、零部件，可以进行刚度、强度、稳定性分析，可以进行模态分析再现振动模态，进一步可以计算出动态响应，较真实地描绘出动态过程。本文以有限元静态分析和动态分析理论为基础，将CAD软件PROE、有限元前后处理软件HYPERMESH，MSCPATRAN和求解软件MSCNASTRAN结合起来，完成了从建立驱动桥壳三维模型到有限元分析的整个过程，并总结了使用这些软件建立模型和有关分析工况的规范化步骤，以达到提高效率的目的，得到有益于工程实际的结论。本论文的主要内容和相关结论如下本论文对某一车型的驱动桥壳有限元模型的建立、载荷的处理、有限元模型的生成等方面进行了深入的研究，通过对驱动桥壳的模态分析、静力分析和动力分析，找到了驱动桥壳应力最大，容易引起断裂的部位。最后，利用研究成果对驱动桥壳提出了改进措旅，并解决了驱动桥壳断裂问题。关键词驱动桥壳；有限元法；PROE；MSCPATRANMSCNASTRAN静力分析模态分析东北太学硕士学位论文ABSTRACTDYNAMICANALYSISOFSOMEAUTOMOBILEDRIVEAXLEHOUSINGABSTRACTASTHEMAINLYCARRYINGANDPASSINGCOMPONENTSOFTHEVEHICLE，THEAUTOMOBILEDRIVEAXLEHOUSINGSUPPORTSTHEWEIGHTOFVEHICLEANDTRANSFERTHEWEIGHTTOTHEWHEEITHROTJGHTHEDRIVEAXLEHOUSING，THETRACTIVEFORCE、BRAKINGFORCEANDLATERALFORCEACTONTHEWHEELTRANSFERTOTHESUSPENSIONSYSTEM、FRAMEORCARRIAGEBECAUSETHEDRIVINGCONDITIONOFTHEVEHICLEISVERYCOMPLEX，ASARESULT，THEDRIVEAXLEHOUSINGAFFECTTHELIFESPANOFSERVICEOFVEHICLE，SOTHEDRIVEAXLEHOUSINGNEEDTOHAVEENOUGHINTENSITYANDRIGIDITY,ANDGOODDYNAMICPERFORMANCE，THEREASONABLEDESIGNOFTHEDRIVEAXLEHOUSINGCALLALSOIMPROVEVIBRATIONCOMFORTABLENESSANDRIDECOMFORTOFVEHMETHEFINITEELEMENTMETHODISUSEDFARRALNGINGINTHEDESIGNOFVEHICLESTRUCTURE，BECAUSEITEARLSOLUTEMECHANICSPROBLEMSWHIRHAVEARB恤ARYSTRUCTURE、SHAPEORBOUNDARYCONDITIONALLKINDSOFVEHICLEPARTSCANUSEFEMTOPERFORMSTATICANALYSIS，NORMALANALYSISANDDYNAMICANALYSISTODAY,USINGNORMALANALYSISANDDYNAMICANALYSISTOSOLUTEACTUALENGINEERINGPROBLEMISMOREANDMOREIMPORTANT,ANDALSOCALLPERFORMNONLINEARANALYSISBASEONTHETRAITOFTHES廿UCTURETHEMAINCONTENTSANDCONCLUSIONSOFTHISPAPERAREASFOLLOWSTHETHESISCARRIESONDEEPRESEARCHTOSETTINGUPOFACERTALNFINITEELEMENTMODELSWITHDRIVEAXLEHOUSING，LOADEDTREATMENT，ANALYSESTHROUGHTHEMODESHELLYTOTHEREARAXLE，QUIETSTRENGTHANALYSISANDDYNAMICANALYSIS，ITISGREATESTANDAPTTOCAUSETHEPOSITIONTHATMPTURETOFINDTHESHELLSTRESSOFREARAXLEFINALLY,UTILIZETHERESEARCHRESULTSTOPROPOSEIMPROVINGTHEMEASURETODRIVEAXLEHOUSING，ANDHASSOLVEDTHEFRACTUREPROBLEMWITHDRIVEAXLEHOUSINGKEYWORDSDRIVEAXLEHOUSING；FINITEELEMENTMETHOD；PROE；MSCPATRANMSC，NASTRAN；STATICANALYSIS；MODALANALYSISIII独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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。学位论文作者筝名矽荦新日期砌须哆学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定即学校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。本人同意东北大学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、交流。如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。学位论文作者签名签字日期导师签名签字日期东北大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论驱动桥壳是汽车的主要零件之一，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，支撑着汽车的荷重，并将载荷传给车轮。在实际行使中，作用在驱动车轮上的牵引力、制动力、横向力，也是经过桥壳传到悬挂及车架或者车厢上的【11。同时，驱动桥壳的使用寿命直接影响汽车的有效使用寿命。因此，合理地设计驱动桥壳，使其具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，减少桥壳的质量，有利于降低动载荷，提高汽车行驶平顺性和舒适性。11国内外研究现状关于汽车驱动桥壳模态分析的论文在国内外的杂志刊物上发表的屡见不鲜，它们或基于有限元分析，或基于试验模态分析，或将两者相结合。但在应用有限元分析法进行理论模态分析的时候，多使用ANSYS软件，在使用ANSYS软件过程中需要建模，由于ANSYS软件自身的缺陷，需要对模型进行大幅度的简化，从而所得到的结果存在很大的误差。本文应用的是较先进的HYPERMCSH软件，它在建模时无需对模型进行较大的简化，因而所得到的结论更接近理论值。模态分析是本课题所采用的研究手段，它的经典定义是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。模态分析包括对结构动态特性的解析分析和试验分析，在数学上，模态参数是力学系统运动微分方程的特征值和特征向量而在试验方面则是试验测得的系统的极点固有频率和阻尼和振型模态向量。模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析，振动故障诊断及预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。模态分析技术是随着快速傅立叶变换FFT算法和基于FFT的动态测试分析仪的出现而诞生的，并逐渐成为机械与结构振动排故和动态设计的重要手段，在机械、航空航天、汽车、动力、土木等工程领域获得广泛应用。模态分析技术的发展大致可分成三个阶段初期阶段20世纪60年代中期到70年代中期有两项引人注目的“发明创造”一是振型动画显示，使抽象的结构动力学特性易于为工程人员所理解二是带力传感器的激振力锤，使模态试验简单易行，并从实验室走向现场。东北戈学硕士学位论文第一章绪论第二阶段20世纪70年代中期到80年代中期，模态分析有了长足的进步，提出了各种行之有效的频率响应函数FRF测量与估计以及模态参数识别方法，出单输入单输出SISO技术发展到单输入多输出SIMO技术以及多输入多输出MIMO技术。第三阶段近十多年来，模态分析又取得了一系列新进展，主要有下面三个方面1三大模态试验技术。第一是多点随机技术，它利用宽带随机信号对结构激励，不仅可以经FFT快速测量FRF，而且随机激励还具有对弱非线性环节线性化的独特优点，因而很适宜于结构振动特性试验。同时多点激励使输入能量均匀，数据一致性好，并有分离密集模态的能力，这一点在大型复杂结构模态试验中尤为重要。第二是步进正弦技术，经典的多点正弦技术基于相位共振原理，调力分离模态，而新的步进正弦技术则采用不相干正弦激振原理和空间域模态识别来实现相位分离。第三是多参考点锤击技术，锤击法模态试验技术具有设备简单、方便易行、适于现场测试等优点，而多参考点锤击技术不仅具有上述锤击法的优点，还和MIMO技术一样，能够区分密集和重频模态。2模态分析与试验的新理论。模态分析的基本理论是线性系统分析，适用于结构或粘性阻尼。近十年的进展，一是体现在对所谓亏损系统的研究和讨论，二是集中在对阻尼的描述和建模，此外非线性模态分析仍是正在进行探讨的热门课题。与模态分析理论相比，模态试验理论方面的进展更大。一是传感器与激振器的优化配置。传统振动试验中，传感器和激振器都是凭经验配置，近来提出了各种自动优化配置方法，取得了良好的效果，使模态试验又有新的实质性进展。二是虚拟试验，为了增加试验数据，扩大试验结果信息量，提出了一种新颖的边界条件摄动PBC试验方法，即在不同边界条件下进行多次模态试验。在这一新思想的启发下，发展了所谓的虚拟试验理论，即由虚拟的结构修改包括虚拟附加质量、虚拟接地、虚拟边界条件等，得到更多的观测结果，用于识别结构参数或输入载荷或者控制结构输入，使结构响应对某些特定的参数更为敏感。3摸态分析与试验的拓展。模态分析与试验在机械、汽车、飞机、卫星、桥梁、建筑等各种结构中获得成功应用，不仅在振动排故、动态设计中大显身手，而且在基于振动的机械、结构状态检测与破损诊断中前景看好。但是经典的模态分析与试验主要针对静止结构，而且大多在实验室状态下进行，近十年来，模态分析与试验被拓展到处于现场运行状态的机械结构、旋转机械以及声学领域，并取得实质性进展。在技术先进的国家，试验模态分析技术早已进入工厂化应用阶段，如在美国一些大汽车公司的试验中心己设有车间，专门对汽车各零部件进行模态分析试验，为结构设计与研究提供动特性数据。20世纪60年代初，模态分析技术也开始在我国航空、航天领域得到应用，应该说我国第一颗人造卫星的发射也曾得益于这一技术的应用。然而，我国其它领域对模态分2东北大学硕士学位论文第一章绪论析技术的接触要算是70年代后期的事了。虽然科技界对这一技术的掌握及发展速度不算慢，但在工程技术上的普遍应用和推广还有待于各方面条件的成熟，如产品技术发展竞争的需要及模态分析技术手段的进一步廉价化。12立题意义及研究内容121立题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F1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。驱动桥是汽车中的重要部件，它承受着来自路面和悬架之间的一切力和力矩，是汽车中工作条件最恶劣的总成之一，如果设计不当会造成严重的后果。为保证驱动桥壳变型设计的可行性和工作的可靠性，在变型设计过程中必须对其应力分布、变形、关键部位的动应力等进行计算和校核。变型设计是一个反复修改和调整的过程，每次修改设计都需要重新建立分析模型，而这是一个费时费力的工作。如果能够在对汽车驱动桥模型深人研究的基础上，建立汽车驱动桥有限元模型，并利用主模型技术建立几何模型与有限元分析模型的关联性，使有限元模型能够自动更新。就可以避免重复建模带来的麻烦。122本文的主要研究内容1学习和掌握CAD软件PME，利用PROE建立驱动桥壳的几何模型，为建立驱动桥壳的有限元模型奠定基础。2分析使用HYPERMESH对几何模型进行检查与修改的原理，研究使用HYPERMESH建立有限元模型的过程和步骤，在对驱动桥壳几何模型修改的基础上，利用HYPERMESH网格生成器，建立驱动桥壳的有限元模型。3通过驱动桥壳有限元分析过程的实现，总结MSC，PATRAN和MSCNASTRAN软件进行有限元静力分析和模态分析的一般步骤和规范，并建立相应的有限元分析工况。4对驱动桥壳进行静态分析和模态分析，分析所得到的结果，通过对比验证建立的有限元模型的合理性，得出具有工程参考价值的结论。5对驱动桥壳进行变形设计，得到更合理的驱动桥壳的几何参数，降低驱动桥壳工作过程中出现裂纹的可能性。3东北大学硕士学位论文G章有限元及模态分析理论基础第二章有限元及模态分析理论基础21有限元分析的理论基础21。1有限元分析法概述有限元法FINITEELEMENTMETHODFEM是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，它是工程科学的重要工具。在应用领域，有限元法理论已经从结构理论逐步改进和推广到连续力学的场问题中，比如热、流体、场等领域中，即使在其起源的结构力学理论的本身范围内，有限元方法也由静力分析到动力分析问题、稳定问题和波动问题，并且由线弹性发展到非线弹性和塑性领域。从单元的类型而言，有限元法已经从一维的轩单元、二维的平面单元发展到三维的空间单元、板壳单元、管单元等；从常应变单元发展到高次单元。同时计算精度得到了较大提高，并可适用于各种复杂的几何形状和边界条件。在有限元法程序编制方面，由于数值方法和计算机软硬件科学的发展，有关有限元分析的计算机程序得到了极大的飞速发展。鉴于有限元法的通用性，有限元分析已经成为解决大型通用问题的强有力和灵活的通用工具。有限元法的优点是，可以对任何复杂结构进行分析；当有限元单元足够多和足够小，其求解的结果可以达到令人十分满意的程度；有限元法在求解时更容易引进边界条件，施加载荷，定义材料类型；可用于求解非均质连续介质问题；由于有限元法的求解采用矩阵的表达形式，使有限元法更利于编程和应用计算机运算；计算机运算具有前后置处理功能，可实现网格的自动划分，使分析更加简化和便捷；求解的结果可以用数据、图形图像和表格等多种方式输出。但是有限元法也由一定的局限性，尽管分析模型结构的网格划分与准备输入数据的工作在某种程度上可以自动化，但是还不能完全靠计算机来是实现，因为在离散化过程中，还必须根据不同的精度要求来决策。而且在数据的输入过程中，如果有差错未被发现，必将会导致错误的计算结果，而且较难被笈现。有时数据输出的整理与判断也是很费时间和精力的。212有限元分析软件5东北大学硕士学位论文第_二章有限元及模态分析理论基础由于有限元法的计算量非常大，因此许多国家的大学和科研机构开发了大量的有限元分析软件。比较有名的有美国ANSYS公司的大型分析软件ANSYS；美国麻省理工学院机械工程系研发的自动动力增量非线性有限元分析程序ADINA；德国斯图加特大学宇航结构静动力学研究所开发的自动动力分析系统ASKA美国贝克莱加利福尼亚大学开发的结构分析程序SAP；美国国家航空航天局NASA研制开发的NASTEAN，以及隶属于美国国家航空航天局的MSC公司的一系列有限元分析软件PATRAN，MARC，FATIGUE，SUERFORGE等。NASTRAN软件介绍MSCNASTRAN是具有高度可靠性的大型有限元分析软件，不仅可以作为有限元分析系统单独使用，也可以作为其它软件的嵌入式求解器。其分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，通过无数考题和大量工程实践的比较，已被大多数汽车厂商所使用L。1NASTRAN软件特点A大型、通用、功能齐全、适用面广B极高的软件可靠性C世界领先的计算机结构技术先进性D独特的DMAP语言C标准的输入偷出格式2MSCMASTRAN主要功能A静力分析线性静力分折包括惯性卸载屈曲分析包括线弹性屈曲，弹性非线性屈曲和弹塑性屈曲分析。静力几何与材料非线性分析包括大变形大位移、大转动以及跟随力，非线性弹性，弹塑性，蠕变，粘弹性以及接触问题。B动力分析正交模态分析固有频率与振动模态直接复特征值分析模态复特征值分析直接频率响应分析模态频率响应分析直接瞬态响应分析6东北失学硕士学位论文第章有限元及模态分析理论基础模态瞬态响应分析响应谱分析随机动力分析具有几何和或材料非线性的瞬态响应分析C热传导分析线性稳态热传导分析非线性稳态热传导分析瞬态热传导分析非线性瞬态熟传导分析D气动弹性分析静态气动弹性分析动气动弹性分析包括颤振分析，频率响应分析，瞬态响应分析，随机响应分析，以及气动伺服弹性分析。E多级超单元分析线性静力超单元分析屈曲超单元分析动力超单元分析模态综合法包括固有模态分析，直接与模态复特征值，直接与模态频率响应和直接与模态瞬态响应。气动弹性响应超单元分析颤振超单元分析稳态与瞬态热传导超单元分析循环对称静力、屈曲超单元分析F0设计敏度分析与结构优化设计敏度分析多约束结构优化G通用矩阵运算运用DMAP修改MSCNASTRAN固定流程建立用户自己的有限元求解系列H特殊分析功能声响分析7东北大学硕士学位论文第章有限元及模态分析理论基础流体与结构耦合分析循环对称分析层复合材料分析MSCPATRAN作为MSCNASTRAN和其他许多有限元软件的前后处理器，其开放式、多功能的体系，可以将工程设计、工程分析、结果评估、用户化开发和交互图形界面集于一身，这样的整体性能使其成为理想的有限元前后处理工具。213有限元法简介2131有限元法的历史用一些离散的单元代表一个给定的域，并不是有限元法的新概念。古代数学家将一个内接圆周的多边形逼近圆周，来计算周长值，将圆看作一个有限个边长的多边形，预测的数值几乎精确到40位数字；还有，用三角形代替扇形来逼近圆的面积。在建筑和航空结构中，对复杂的钢架、蒙皮骨架等早已经采用了结构的矩阵分析方法。1941年提出网格法的概念它将平面弹性体看成是一批杆件和粱。1943年COURANT则使用了组三角形单元和最小势能原理去分析扭转问题。1956年，TURNER，COUGH等人，首次将平面结构人为地划分为很多的三角形单元，单元内以顶点位移线性插值，并用近似方法找出单元弹性特征，然后构成整个结构的位移方程组。这是按物理学的观点用有限个数的离散单元近似组成并代替连续单元，再加以分析。然而“有限元”这个名词是COUGH于1960年第一次使用。有限元法由工程结构分析开始，很快被认为它是弹性体变分问题的一种里兹RITZ近似解法，后来，有限元法被推广应用于一般由变分原理控制的连续域问题。有限元法的成功同样引起了数学界的注意，6070年代，有限元法的离散化误差、解法的收敛性、稳定性等方面都有很多研究，有限元的数学基础得到巩固和发展。同一时期，数学界中以分片差值为实验函数以求近似解的思想与工程中有限元法的形成是并行发展的。自此，有限元著作急剧增多，有许多杂志主要地致力于有限元法理论的发展和应用。考察国外有限元法的历史发展及基本理论，可以找到很多专门致力于有限元法介绍和应用的教科书。国内有关有限元软件ANSYS应用的教材从2002年开始出现，至今有十余本教材。但此前有限元专业论坛网站有数十家，这些网站成为有限元及其应用软件的传播和推广基地。这些教材和网站也是本论文的重要参考资料。2132有限元分析过程1几何模型的创建；利用CAD软件进行实体造型如PROENGINEER、UG、SOLID8东北大学硕士学位论丈第章有限元及模态分析理论基础WORKS等；也可利用相关的CAE软件进行。2产生FEA模型网格划分过程包括4个步骤，首先定义单元属性其次设置网格生成选项；接着在网格划分前保存数据库；最后进行网格生成。网格分的越细，计算结果越精确，运行时间越长。网格户划分后的模型即是FEA模型；3设定材料、载荷、约束A材料的设定即定义材料的特性，如弹性模量、柏松比等参数；B载荷的设定包括加载方式和载荷类型约束载荷、面载荷等确定；C任何实际的结构都要一定的约束条件来保持其稳定性；4求解分析整个模型定义完成之后，就进行求解分析。进行分析以前的步骤称为前置处理，包括前面的三个步骤。分析以后的步骤就是后置处理；5检查分析处理后置处理求解分析完成后，就是查看分析结果。可以通过图标、列表以及文本等方式输出并储存分析结果；6完成，制作分析报告书。214有限元网格划分的基本原则网格划分是有限元分析的重要环节，划分网格应考虑以下原则。1网格数量网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高，而计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格时精度提高甚微，而网格划分的时间以及有限元分析计算时间却有大幅度增加。应比较两种网格划分的计算结果，如果计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止计算。在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。静力分析时，如果仅仅考虑变形，网格数量可以少一些。如果计算应力，应取相对较多的网格。本章主要计算驱动桥壳的静力特性，因此采用较少的网格数量，采用均匀的网格密度，利用HYPERMESH网格划分功能对机体进行一次性网格自动划分，无人工干预，使网格划分更加合理些。2网格疏密指在结构不同部位采用大小不同的网格。在计算数据变化梯度较大的部位如应力集中处，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，则应划分相对稀疏的网格。应使网格数量增加到关键部位，既可以保持计算精度，又可减少网格数量。在次要部位增加网格的不必要的，也是不经济的。疏密不同的网格9东北大学硕士学位论文第章有限元及模态分析理论基础对于应力分析非常重要。3单元阶次单元具有线性、二次和三次等形式，高阶单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。高阶单元的节点数较多，相同网格数量，高阶单元模型规模大得多，因此在使用时应权衡考虑计算精度和实间。4网格质量指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度。质量太差的网格甚至会中止计算。划分网格时网格质量要达到某些指标要求。在结构关键部位，应保证划分高质量网格，个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。当模型中存在质量很差的网格称为畸形网格时，计算过程将无法进行。划分后需要检查网格，避免不良网格造成运算终端、程序出错等现象。5网格布局当结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型表现出相应的对称特性，不对称布局会引起一定误差。图21有良元法工程分析的一般流程FI921THEENGINEERINGANALYSISOFFINITEELEMENTMETHODFLOWCHART10东北大学硕士学位论更第二聿有限元及模态分析理论基础22汽车设计中应用的有限元法221有限元法在汽车设计中应用的意义随着计算机技术的发展而发展起来的有限元法，是一种分析计算复杂结构极为有效的数值计算方法。它先将连续的分析对象划分为由有限个单元组成的离散组合体，运用力学知识分析每个单元的力学特性，再组集各个单元特性，形成一个整体结构的控制方程组，通过计算，得到整体结构的位移场和应力场等结果。有限元法的整个计算过程十分规范，主要步骤都可以通过计算机来完成，是一种十分有效的分析方法。有限元法能够很好地模拟零部件的实际形状、结构、受力和约束，因此，其计算结果更精确，也更接近实际，可以作为设计、改进零部件的依据。同时，可以利用有限元分析的结果进行多方案的比较，有利于设计方案的优化和产品的改进。有限元法解决了过去对复杂结构作精确计算的困难，改变了传统的经验设计方法，因而逐步得到了应用。把有限元法运用在汽车设计中对企业提高产品质量、缩短开发周期、降低成本具有积极的作用。根据德国汽车工业所傲的研究，假设一个汽车设计存在一个严重的缺陷，为改正这个设计缺陷，可以用下面的结果来说明闭11如果这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；2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LO个单位；3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100个单位；4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。通过详细的有限元分析，可以仿真与校验产品在使用中的情况，以求把问题尽早体现出来，避免在制造及使用中发现问题而引起大返工，确保产品的性能、质量、可靠性、耐久性和维修性。这样，可以在较短的时间内，以较少的投资获得高质量的产品。222有限元法在汽车设计中的应用有限元法出现以后，由于其能够解决结构形状和边界条件部非常任意的力学问题，因而在实际中得到广泛应用，成为一种可靠的新的数值计算方法，并取得许多实际效益。在汽车设计中，有限元法也得到应用。应用有限元法，对汽车的所有结构件、零部件，可以进行刚度、强度、稳定性分析，可以进行模态分析再现扳动模态，进一步可以1】东北大学硕士学位论文第章有限元及模态分析理论基础计算出动态响应，较真实地描绘出动态过程。有限元法在汽车设计中的主要应用有口L1结构静力分析分析计算汽车结构与时间无关的应力分布和变形关系，这是在汽车设计中晟常见的应用。2结构动力学分析分为两类问题。一类是用有限元法进行模态分析，求解汽车结构本身的动态特性，如固有频率、振型等；另一类是用有限元法进行强追响应分析，即求解得到汽车结构在动载荷作用下的响应，这比静力分析更接近于实际工作情况【4L。3温度场分析分析汽车结构内部温度分布以及热应力和热变形的情况，包括稳态和瞬态问题。4流场分析；用有限元法求解汽车流体力学问题，如应用于汽车的空气动力学计算。5汽车的断裂力学、接触力学以及汽车碰撞和被动安全性分析。6车身内的声学设计通过车身模态与整机模态的耦合，评价乘员感受的噪声并进行噪声控制。223驱动桥壳设计中应用的有限元法虽然有限元法在驱动拼壳设计中得到的应用，但是当前使用有限元法对驱动桥壳进行分析还存在着一些问题。首先，是驱动桥壳几何模型简化与建模的问题。如何对驱动桥壳进行几何简化，去除对分析结果影响较小的部分，以及如何快速与高效地建立起驱动桥壳几何模型，是进行驱动挢壳有限元分析的第一步，也是最关键的一步，直接影响其后的有限元模型的建立以及求解过程。第二，是驱动桥壳有限元模型的建模问题。建立驱动桥壳有限元模型，涉及到两个重要的问题，一个问题是如何选择合适的单元，一个问题是如何在几何模型基础上，快速与高效地生成几何协调的有限元网格。第三，在驱动桥壳静力分析时，如何确定分析的工况、外载荷施加的大小和作用方式以及桥壳约束条件的确定，需要深入探讨。第四，在驱动桥壳模态分析时，求解频率范围的确定，固有频率特征值的提取方法和与每一阶固有频率相对应的振型的识别，都是需要解决的阀题。第五，在驱动桥壳响应分析中，由于载荷是随着时间变化的，动载荷该怎么确定，以及动载荷在模型中的加载方式，怎样确定和动载荷密切相关的刚度和阻尼，这些问题直接影响到响应分析的成功与否。12东北大学硕士学位论文第二章有限元及模态分析理论基础近些年来，国内很多单位已花巨资购买了各种商业化的有限元软件。如何发挥商业化有限元软件的作用，克服商业化有限元软件存在的不足，形成规范化的分析步骤和方法，是驱动桥壳有限元分析必须面对的问题。23模态分析理论基础由21节可知，整体刚度方程为嗣引扁，由于载荷是随时间T变化的，故可记为戒幻，在动载荷甙作用下位移也随时间T变化，故整体刚度方程可写为阚妒0R幻21动载荷RT可以是作用在弹性体上的动载激励，幻，可以是弹性体的惯性力序幻J，也可以是阻尼力以疗，即斤幻只力B幻只疗22根据惯性力的定义，惯性力可表示为BT卸T23式中加为质量矩阵，方T为加速度列阵。如果阻尼力正比于速度，则阻尼力可表示为PC力一翻幻24式中RC为阻尼矩阵，T为速度列阵。因此弹性体振动的基本方程脚罗T翻F幻加毋T，025式25是用系统的物理坐标方J庐描述的运动方程组。在其中每一个方程中均包含系统个点的物理坐标，因此是一组耦合方程，当系统的自由度很大时，求解十分困难。能否将上述耦合方程变成非耦合的、独立的微分方程组，这就是模态分析所要解决的根本任务模态分析方法就是以无阻尼系统的各阶主振型所对应的模态坐标来代替物理坐标，使坐标耦合的微分方程解耦为各个坐标独立的微分方程组，从而求出系统的各阶模态参数。这就是模态分析的经典定义。在无阻尼自由振动的情况下，进行傅立叶变换可得朋一2脚O26其有解的条件是F加一U2加LO27有式27可求出系统的固有频率U，2JR，再代入式，可求出其固有振型巾。为使用方便，将固有振型正则化，通常按质量归一化，得到正则坐标下的主振型。要求解26式的解，也就是求解下述特征值问题13东北大学硕士学位论文第章有限元及模态分析理论基础K垂X审的解法，特别是有关最小特征值入。，。，和相应特征向量曲，方法。为了适应解法所用到的基本性质，可把所考虑的解法分为四类第一类为向量迭代法，所用的基本性质是K庐，毋，第二类为变换法，利用了西7E庐A28。的计算29210咖1庐，211其中，由由，巾。年NADIAG，I1，N第三类解法是多项式迭代法，利用了以，O212的性质，其中尸DET俨肋213第四类解法利用了下列特征多项式的STURM序列性质以DETKA肋214咿A“JDET世IX1世J1啦、5其中，尸”“是对应于庐AME的第R个相伴约束问题的特征多项式。在上述四类解法中，每一类都发展了一些解法。要具体了解各种解法的特点和要求，请参考相关的参考文献“。14东北大学硕士学位论文G章驱动桥壳模型的建立第三章驱动桥壳模型的建立31汽车驱动桥壳的有限元分析过程有限元分析是产品变型设计中的一个重要环节，它接受上游设计提供的设计结果和需求几何尺寸、性能等进行有限元建模。主要分为以下几步1几何模型简化在保持力学性能不变的前提下对几何模型作适当的简化，以利于有限元模型的建立；2几何模型转换；将简化了的几何模型通过专用或通用数据接口转入有限元分折软件中进行前处理；3前处理包括单元类型选择、网格尺寸确定、网格划分、单元属性定义、边界条件处理、载荷处理等；4试运算将建立的有限元分析模型提交给求解器进行试运算，通过试运算可以发现模型中的部分问题。5模型检验为了保证有限元模型的正确性，应对模型进行大量的理论、工程实践和试验检验，通过检验，找出有限元模型中存在的问题，以便修正模型，保证分析结果的可靠性经过检验的有限元模型可作为企业的资源存入数据库，为知识重用提供强有力支持；6计算将经过检验的有限元模型提交求解器计算，主要是选择求解器。求解过程由计算机自动进行，一般不需要人工干预7后处理将求解结果用云图、曲线、表格等形式显示出来，以便于求解结果的分析和评价；8根据计算的结果，评价设计，如果满足设计需求，输出设计结果，否则修改设计，重新进行分析计算，直到满足设计需求为止。有限元分析模型的建立包括以上的1、2、3、4、5，是有限元分析花费时间最多，最为关键的一步，直接影响到整个有限元分析的成败。由以上分析可知，有限元建模过程从总体上分为几何信息处理和非几何信息处理。几何信息的处理主要包括驱动桥装配模型的建立和几何模型的简化。驱动桥有限元模型建立过程的非几何信息处理包括；单元类型选择、定义单元尺寸、网格划分、单元属性定义、边界条件处理、载荷处理等。利用HYPERMESH可实现汽车驱动桥有限元模型建立15东北大学硕士学位论文第三章驱动桥壳模型的建立的智能化和自动化。32HYPERMESH软件介绍HYPERMESH软件是美国ALTAIR公司的产品，是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包，也是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成了设计与分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。在CAE领域，HYPERMESH最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格前处理功能和后处理功能。一般来说，CAE分析工程师80的时间都花费在了有限元模型的建立和修改上，而真正的分析求解时间是消耗在计算机工组站上的，所以采用一个功能强大，使用方便灵活，并能够与众多CAD系统和有限元求解器进行方便的数据交换的有限元前后处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要的意义。在这里软件HYPERMESH“”主要是用来做前处理。前处理是指创建实体模型及有限元模型。它包括创建实体模型，定义单元属性、划分网格，模型修正等几项内容，现今大部分的有限元分析模型都用实体模型建模。类性于CAD，ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状，用于在里面划分节点和单元还可以在几何模型边界上方便的施加载荷，但是实体模型并不参与有限元分析。所有施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型上节点或单元上进行求解。HYPERMESH是一个高效的有限元前后处理器，能够建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型，与多种CAD和CAE软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能。HYPERMESH是一个针对有限元主流求解器的高性能有限元前后处理软件，工程设计人员可以在一个极佳的交互式可视环境下对多种设计条件进行分析。HYPERMESH的图形用户界面易于学习，可以直接使用CAD几何数据和现存的有限元模型，从而减少附加的冗余数据。其先进的后处理工具可以很方便地显示复杂的模拟结果，并使之易于理解。HYPERMESH的速度、灵活性和用户化功能无与伦比。图31所示即为HYPERMESH的用户界面。1HYPERMESH的几何接13HYPERMESH通过输入输出功能，可以阅读各种业内主要的CAD软件的数据格式，以生成有限元模型。在HYPERMESH中有一系列的工具，可用来对输入的几何实体进行清理或修补。所输入的几何模型中含有面的信息，以及含有缝隙、重叠和不对齐现象，这就会妨碍网格自动划分器生成高品质的网格。通过消除不对齐处及小孔，通过对相邻面间的边界进行抑制，可以在模型更大、更广的区域划分网格，从而提高整体网格划分的速16东北大学硕士学位论文第三章驱动桥壳模型的建立度和质量。图31HYPERMESH的用户界砸F崦3IUSERINTERFACEOFHYPERMESHALTAIR公司在世界范围内与先导的CADCAM软件供应商建立了紧密而重要的合作关系，保证用户在同步的工程环境下从一个或多个CAD系统中获取CAD信息。HYPERMESH强大的几何输入功能支持多种格式的复杂装配几何模型的读入，如CATIA、UONX、PROE、STEP、IGES、PDGS、DXF、STL、VDAFS等格式见图32，支持UG动态装配，并可设定几何容差，修复几何模型，同时支持IGES格式输出。模型浏览功能有效管理复杂几何和有限元装配模型。方便灵活的几何清理功能支持多种自动化和人工化的几何清理功能，各种缝隙缝合，复杂曲面修补，去除相关倒角、多孔等功能，以及薄壳实体中抽取功能。图32HYPERMESH支持CAD系统和文件FIG32SUSTAININGCADSYSTEMANDDOCUMENTOFHYPERMESH2HYPERMESH的求解器接口HYPERMESH支持多种求解器输入输出格式，与主流求解器无缝集成。现在可支持LSDYNAABAQUS，OPTISTRUCT，RADIOSBLOCK、ANSYS，PAMCRASH，NASTRAN、MARC、MADL卟O、CMOLD、MOLD、MOLDFLOW等求解器见图33。除此之外，还具有很强的灵活性，可通过一整套输出模板语言和C语言库来开发输入数据转换器，从而可以支持其他求解器。I7东北大学硕士学位论支第三章驱动桥壳模型的建立图33HYPERMESH支持的求解器FIG33SUSTAININGSOLVINGIMPLEMENTOFHYOERMESHHYPERMESH为各个求解器定制专业界面，如ABAQUS、LSDYNA3D、ANSYS接触向导定义可针对汽车碰撞的安全带和气囊等专业模块。图34所示为ANSYS接触向导定义界面。它的可编辑式卡片菜单输入可与求解器无缝集成。用户还可根据需要开发求解器模板，如MADYMO。图34ANSYS接触向导界面FIG34CONTACTINGGUIDINGINTERFACEOFANSYS3HYPERMESH的网格划分HYPERMESH为用户提供了一套完善而又易于使用的工具程序。用户可以使用各种网格生成工具及HYPERMESH网格自动划分模块来创建二维和三维有限元模型。HYPERMESH中具有几何型面的网格自动划分模块，为用户提供了一套可靠的网格划分工具，并使用户能够对每个面或每个面的边缘进行网格参数调节，而且可以调节单元密度、单元偏置梯度、网格划分算法等。HYPERMESH能够用一阶和二阶四面体单元对一段封闭区域自动划分出高品质的单元，还提供了多种三维单元生成方式来构建高质量的四面体、六面体网格和CFD计算流体动力学网格。用户可以根据结构情况和CFD模型的实际需要来控制单元的划分、18东北大学硕士学位论文第三章驱动桥壳模型的建立选择边界浮动的或固定边界的三角形单元重新对局部区域划分网格。HYPERMESH提供多种形式的网格质量检查菜单，使用户可以实时控制单元质量，另外还提供了多种网格质量修改工具。HYPERMESH提供了多种焊接单元生成方法。其中，利用CONNECTOR进行大规模自动化焊接单元转化，大大减少了手工单元生成的操作。同时各类焊接单元质量检查工具可以让用户少犯错误。HYPERMESH支持由网格直接生成几何进行二次有限元建模。其中的MORPH功能支持高质量的快速修改有限元模型，并且可以施加多种约束如对称，设定变形轨迹如沿设定平面、半径、直线调整形状等。4HYPERMESH的后处理HYPERMESH提供了一整套后处理功能，能够使用户方便精确地理解和分析复杂的模拟结果。HYPERMESH还提供了一整套可视化工具，使用等势面、变形结果、等高线、瞬时结果、向量绘制以及用切割面轮廓线等方式对结果进行显示。HYPERMESH还能将变形通过线性和模态方式动态显示。通过这些功能及友好的用户界面，可以使用户能够迅速找出问题区域，缩短结果评估所花费的时间。5HYPERMESH的用户化设置HYPERMESH提供了多种开发工具，使用户能够将之很好地运用到现有的工程设计工艺中，便于进行二次开发。A基本的宏命令用户可以创建宏命令，使若干建模过程自动完成。B用户化定制工具用户可以利用TCLTK在HYPERMESH中建立用户化定制方案。C配置HYPERMESH的界面对HYPERMESH的菜单系统进行重新布局定义，使界面更易于使用。D输出模板通过用户输出模板，可以将HYPERMESH数据库以其他求解器和程序可以阅读的格式输出。E输入数据转化器可以在HYPERMESH中加入用户自己的输入数据翻译器，扩充HYPERMESH的接口支持功能，以解读不同的分析数据卡。F结果数据转化器用户可以创建自己特定的结果翻译器，利用所提供的工具将特定的分析结果转化成HYPERMESH的结果格式HYPERMESH软件与其他有限元分析前处理软件比较时所具有的鲜明的特点19东北大学硕士学位论文第三章驱动桥壳模型的建立1总体优势A通过高性能的有限元建模和后处理大大缩短工程分析的周期。LLYPERMESH具有很高的有限元网格划分和处理效率，应用TLYPEMESH可以大大提高CAE分析工程师的效率；B直观的图形用户界面和先进的特性减少学习的时间并提高效率。HYPERMESH学习非常简单，它所具有的非常简洁和方便的用户界面大大节省里用户学习L_LYPERMESH所需要的时间。一般具有一定CAE分析经验的工程师，只需要2周就可以熟练地应用HYPERMSH进行实际工程问题的分析计算。C直接输入CAD几何模型及有限元模型，减少用于建模的重复工作和费用。D高速度、高质量的自动网格划分极大地简化复杂几何的有限元建模过程。E在一个集成的系统内支持范围广泛的求解器，确保在任何特定的情形下都能使用适用的求解器。F极高的性价比使您的软件投资得到最好的回报。G高度可定制性更进一步提高效率。2CAD接口及几何模型整理HYPERMESH具有工业界主要的CAD数据格式接口。可以直接把已经生成的三维实体模型导入到LLYPERRAESH中，而且一般导入的模型的质量都很高，基本上不太需要对模型进行修复，这样就大大方便了CAE工程师对模型的处理HYPERMESH与各种CAD软件具有良好的集成性，可以集成的CAD图形标准如下HYPERMESH还包含一系列工具，用于整理和改进输入的几何模型。输入的几何模型可能会有间隙、重叠和缺损，这些会妨碍高质量网格的自动划分。通过消除缺损和孔，以及压缩相邻曲面的边界等，您可以在模型内更大、更合理的区域划分网格，从而提高网格划分的总体速度和质量。同时具有云图显示网格质量、单元质量跟踪检查等方便的工具，可以及时检查并改进网格质量。3模型的创建和编辑在建立和编辑模型方面，HYPERMESH提供用户一整套高度先进、完善的、易于使用的工具包。对于2D和3D建模，用户可以使用各种网格生成模板以及强大的自动网格划分模块。HYPERMESH的自动网格划分模块提供用户一个智能的网格生成工具，同时可以交互调整每一个曲面或边界的网格参数，包括单元密度，单元长度变化趋势，网格划分算法等等。HYPERMESH也可以快速地用高质量的一阶或二阶四面体单元自动划分封闭的区域。20东北大学硕士学位论文第三章驱动桥壳模型的建立四面体自动网格划分模块应用强大的AFLR算法。用户可以根据结构和CFD建模需要来单元增长选项，选择浮动或固定边界三角形单元和重新划分局部区域。4强大的后处理功能HYPERMESH提供完备的后处理功能组件，让您轻松、准确地理解并表达复杂的仿真结果。HYPERMESH具有完善的可视化功能，使用等值面、变形、云图、瞬变、矢量图和截面云图等表现结果。它也支持变形、线性、复合以及瞬变动画显示。另外可以直接生成BMP、JP6、EPS、TIFF等格式的图形文件及通用的动匣格式。这些特性结合友好的用户界面使您迅速找到问题所