基于ansys的主减壳体分析

1、目 录1 绪论11.1课题研究背景11.2 国内外汽车研究现状与发展趋势11.2.1国外汽车的发展11.2.2国内汽车的发展21.3 本论文研究的主要内容与技术方案31.4驱动桥的结构组成31.4.1功用31.4.2组成31.4.3驱动桥的类型51.5主减速器71.5.1功用71.5.2类型71.5.3主减速器的构造与工作原理71.6驱动桥壳91.6.1功用91.6.2分类91.7金杯SY6474的相关基本参数101.8有限元法基本原理111.8.1有限元法基本思想111.8.2有限元分析问题的基本步骤111.8.3有限元网格划分方法与基本原理121.8.4有限元法的优点151.9计算机软件的

2、选择151.9.1ANSYS软件简介151.9.2PRO/E软件简介162 汽车主减速器壳的建模182.1主减速器壳的结构特点182.2利用PRO/E实现主减速器壳的三维建模182.2.1 生成底部造型182.2.2生成顶部造型192.2.3处理内部细节212.2.4完成主减速器壳的三维造型222.3PRO/E文件导入ANSYS233汽车主减速器壳的静力分析253.1结构静力学分析概述253.2主减速器壳的静力分析253.2.1模型参数253.2.2网格划分253.2.3约束和载荷283.2.4主减速器壳静力分析结果评价294主减速器壳的模态分析354.1模态分析的概述354.2主减速器壳的模

3、态分析354.2.1模型参数354.2.2网格划分354.2.3约束364.2.4汽车主减速器壳的模态分析结果评价374.3改进方案405 结论44谢辞45参考文献46外文资料481 绪论1.1课题研究背景自从世界上诞生第一辆汽车以来，经过一百多年的发展，汽车已经成为人类文明史上科技进步的一大标志。改革开放以来，特别是近几年我国汽车工业发展势头强劲。目前已经成为世界第三大汽车生产国和汽车消费国，尽管如此，与国际汽车产业先进水平相比，中国汽车产业所具备的竞争力尚不够全面，中国汽车产业与世界汽车强国在若干指标上有较大差距。随着入世以后各种保护性措施的取消，中国汽车产业会面临严峻的考验和挑战。中国要

4、成为真正的世界汽车强国关键是要充分发挥制造业和汽车工业的规模优势；努力增强产品自主开发能力和技术创新能力；形成自己的技术特色和车型特色。主减速器（或叫主传动）是汽车驱动桥的重要组成部分，主要由主动螺旋伞齿轮组件、主减速器壳体（也有的叫托架）组件、差速器组件和从动螺旋伞齿轮组件等零部件组成，其主要功能是降低传动系的转速、增大传动系的转矩并改变转矩的方向，把纵置发动机的转矩传递到横置的两根驱动桥的半轴上。其中，主减速器壳体组件为汽车底盘重要零件之一，主要对差速器组件及主、从动螺旋伞齿轮组件起定位和支承作用。在汽车行驶的过程当中，主减速器壳主要承受轴承传递的径向和轴向力，是一个结构和受力复杂的组件。

5、它不仅要求有足够的强度和刚度，而且壳体的结构特性对汽车的安全性影响很大。日本、欧洲等发达国家在汽车主减速器壳的开发中普遍采用有限元分析、虚拟实验、动态测试等现代设计分析技术，设计制造的汽车在性能稳定性、可靠性方面有明显优势。而我国主减速器壳的开发技术还是个空白，各个汽车企业只有仿造和局部修改，不具备开发能力和手段。对主减速器壳的结构有限元分析、动态模拟仿真、动态测试都没有开展，对壳体的强度、刚度和振动特征心中无数，凭经验和感觉进行模仿修改设计，与国际水平差距很大。主减速器壳的疲劳受损和磨损成为长期困扰我国汽车制造业产品质量的瓶颈。壳体受损主要是受传动系的振动，行驶过程中路面激励产生的振动等多种

6、因素综合影响形成，这就需要对壳体进行理论分析，实验研究及路试在线测试。日本汽车工业也经历过从仿制到自主开发创新的过程，而成为当今世界汽车高技术的代表，我国汽车工业现处于后仿之阶段，必须尽快走向自主开发创新，通过汽车企业与高校、科研院所的紧密结合，建立多层次的产品开发体系和高水平的汽车共性技术研究、实验、开发平台。这不仅是世界汽车技术先进国家的成功经验，也是我国汽车工业走向自主创新开发的必由之路。1.2 国内外汽车研究现状与发展趋势1.2.1国外汽车的发展汽车是数量最多、最普及、活动范围最广泛、运输量最大的现代化交通工具。没有哪种机械产品像汽车那样对社会产生如此广泛而深远的影响。汽车虽然诞生在欧

7、洲，但从20世纪初至70年代数10年间，美国汽车工业一直遥遥领先。日本汽车工业在60、70年代迅猛发展，后来者后上，先后超过意、英、法、德等老牌汽车工业国，并曾于1980-1993年期间超过美国而跃居世界第一位。在国际汽车市场上，各生产厂家都面临巨大的竞争压力。用户对质量、舒适度和安全性都提出了高标准的要求。这实际上就是要求设计的汽车恰如其分地适合不同的用途，并以有竞争性的成本和速度制造出来。只有这样，一个汽车厂才能在激烈的竞争中获胜。所以，当对成本问题给予应有的考虑时，也应该探索革新和采用现代化制造技术的可能性，以便使新生产出的各种型号的汽车都能达到质量标准、生产率和多品种的目标。同时，也应

8、满足缩短试制周期的需要。这就要求能在更短的时间内，完成全部的更为复杂的制造工艺过程。因此，发展的重点是实现制造过程的计算机辅助工艺计划、控制和管理，并采用自动化的生产系统，以使产品质量达到高度的一致性。自动化的生产控制和质量管理系统，可提供有关制造状况的最新数据，并能直接指出制造故障的原因。1.2.2国内汽车的发展到2005年，我国汽车品牌总数为355个，其中自主品牌为245个，占总品牌数69%。2005年国内自主品牌汽车市场份额为62.9%，比2004年上升了3.4%，合资品牌市场份额31.7%，比2004年下降到9.4%。总体上看，自主品牌的汽车已经占有相当的优势，特别是在载重汽车和客车方

9、面更为明显。2005年汽车销量为575.82万辆，自主品牌销量为 362.19万辆，占总销量的62.9% 。在载货车上，自主品牌的优势在于中型载货汽车上，国际上中型载货汽车不属重要产品，产量很低，我国由于地区广阔，农村和偏远地区需求很大，所以这方面优势仍会保持发展下去。在客车上自主品牌的产销量已居绝对优势。因为客车基本上属于劳动密集型和科技型并存的产品，国际上已将客车制造转向发展中国家，所以逐步的造就了中国成为客车产量居世界第一的大国地位，而且客车的研发能力也比较好，可以说已接近于国际先进国家的水平。但载重汽车和客车产业主要问题在于底盘的水平还比较低，和国际先进水平还有不少差距，还要一些关键零

10、部件也是这样，这是我们努力改进的方向，特别对大的重型货车我们与国际水平差距仍较大。我国汽车产品的品种档次、技术含量与急剧增长的产量相比不协调，且汽车企业尚未形成自主的产品开发能力。我们必须抓住机遇，努力提高产品的技术含量，开发出具有自己特色的过硬品牌，缩小同世界先进技术水平的差距2。1.3 本论文研究的主要内容与技术方案本课题基于有限元分析软件ANSYS和PRO/E平台，对金杯SY6474汽车主减速器壳进行有限元结构分析。技术方案流程图，如图1-1所示。具体的方案如下： 研究金杯SY6474汽车主减速器壳的相关技术参数、模型特点，基于有限元分析软件ANSYS和PRO/E平台，进行有限元结构分析

11、有限元分析结果评价主减速器壳PRO/E模型，图1-1 技术方案流程图（1）金杯SY6474汽车的相关技术参数，和研究主减速器壳模型特点，为分析提供相应的理论基础；（2）存在最大静载荷时，对壳体进行静力学分析，分析结构的应力、应变和变形位移的分布规律，根据分析结果进行强度较核；（3）利用有限元方法对主减速器壳进行模态分析，分析出它的振动特性，找出振动中危险的位置；（4）综合以上的分析结果，对主减速器壳的结构提出相关的修改方案，以使汽车主减速器壳体的结构趋于合理达到优化的目的。1.4驱动桥的结构组成1.4.1功用驱动桥由主减速器、差速器、半轴及驱动桥壳组成。驱动桥处于动力传动系的末端，其基本功能是

12、增大由传动轴或变速器传来的转矩，改变动力传递方向，并将动力合理的分配给左、右驱动轮，使汽车行驶，并允许左右驱动轮以不同的转速旋转。另外还承受作用于路面和车架或车身之间的垂直立、纵向力和横向力。1.4.2组成驱动桥主要由主减速器、差速器、半轴和驱动桥壳等组成。(1）主减速器主减速器一般用来改变传动方向，降低转速，增大扭矩，保证汽车有足够的驱动力和适当的速皮。主减速器类型较多，有单级、双级、双速、轮边减速器等。1）单级主减速器由一对减速齿轮实现减速的装置，称为单级减速器。其结构简单，重 量轻，东风BQl090型等轻、中型载重汽车上应用广泛。2）双级主减速器对一些载重较大的载重汽车，要求较大的减速比

13、，用单级主减速器传动，则从动齿轮的直径就必须增大，会影响驱动桥的离地间隙，所以采用两次减速。通常称为双级减速器。双级减速器有两组减速齿轮，实现两次减速增扭。为提高锥形齿轮副的啮合平稳性和强度，第一级减速齿轮副是螺旋锥齿轮。二级齿轮副是斜齿圆柱齿轮。主动圆锥齿轮旋转，带动从动圆锥齿轮旋转，从而完成一级减速。第二级减速的主动圆柱齿轮与从动圆锥齿轮同轴而一起旋转，并带动从动圆柱齿轮旋转，进行第二级减速。因从动圆柱齿轮安装于差速器外壳上，所以，当从动圆柱齿轮转动时，通过差速器和半轴即驱动车轮转动。(2)差速器差速器用以连接左右半轴，可使两侧车轮以不同角速度旋转同时传递扭矩保证车轮的正常滚动。有的多桥驱

14、动的汽车，在分动器内或在贯通式传动轴间也装有差速器，称为桥间差速器。其作用是在汽车转弯或在不平坦的路上行驶时，使前后驱动车轮之间产生差速作用。目前国产轿车及其它类汽车基本都采用了对称式锥齿轮普通差速器。对称式锥齿轮差速器由行星齿轮、半轴齿轮、行星齿轮轴（十字轴或一根直销轴）和差速器壳等组成。目前大多数汽车采用行星齿轮式差速器，普通锥齿轮差速器由两个或四个圆锥行星齿轮、行星齿轮轴、两个圆锥半轴齿轮和左右差速器壳等组成。（3）半轴半轴是将差速器传来的扭矩再传给车轮，驱动车轮旋转，推动汽车行驶的实心轴。由于轮毂的安装结构不同，而半轴的受力情况也不同。所以，半轴分为全浮式、半浮式、34浮式三种型式。1

15、）全浮式半轴 一般大、中型汽车均采用全浮式结构。 半轴的内端用花键与差速器的半轴齿轮相连接，半轴的外端锻出凸缘，用螺栓和轮毂连接。轮毂通过两个相距较远的圆锥滚子轴承文承在半轴套管上。半轴套管与后桥壳压配成一体，组成驱动桥壳。用这样的支承形式，半轴与桥壳没有直接联系，使半轴只承受驱动扭矩而不承受任何弯矩，这种半轴称为“全浮式”半轴。所谓“浮”意即半轴不受弯曲载荷。全浮式半轴，外端为凸缘盘与轴制成一体。但也有一些载重汽车把凸缘制成单独零件，并借花键套合在半轴外端。因而，半轴的两端都是花键，可以换头使用。2）半浮式半轴半浮式半轴的内端与全浮式的一样，不承受弯扭。其外端通过一个轴承直接支承在半轴外壳的

16、内侧。这种支承方式将使半轴外端承受弯矩。因此，这种半袖除传递扭矩外，还局部地承受弯矩，故称为半浮式半轴。这种结构型式主要用于小客车。其半轴内端不受弯矩，而外端却要承受全部弯矩，所以称为半浮式支承。3）34浮式半轴 34浮式半轴是受弯矩的程度介于半浮式和全浮式之间。此式半轴目前应用不多，只在个别小卧车上应用，如华沙M20型汽车。（4）桥壳1） 整体式桥壳整体式桥壳因强度和刚度性能好，便于主减速器的安装、调整和维修，而得到广泛应用。整体式桥壳因制造方法不同，可分为整体铸造式、中段铸造压入钢管式和钢板冲压焊接式等。2） 分段式驱动桥壳分段式桥壳一般分为两段，由螺栓1将两段连成一体。分段式桥壳比较易于

17、铸造和加工。1.4.3驱动桥的类型驱动桥的结构型式按工作特性分，可以归并为两大类，即非断开式驱动桥和断开式驱动桥。当驱动车轮采用非独立悬架时，应该选用非断开式驱动桥；当驱动车轮采用独立悬架时，则应该选用断开式驱动桥。因此，前者又称为非独立悬架驱动桥；后者称为独立悬架驱动桥。独立悬架驱动桥结构较复杂，但可以大大提高汽车在不平路面上的行驶平顺性29。（1）非断开式驱动桥普通非断开式驱动桥，由于结构简单、造价低廉、工作可靠，广泛用在各种载货汽车、客车和公共汽车上，在多数的越野汽车和部分轿车上也采用这种结构。他们的具体结构、特别是桥壳结构虽然各不相同，但是有一个共同特点，即桥壳是一根支承在左右驱动车轮

18、上的刚性空心梁，齿轮及半轴等传动部件安装在其中。这时整个驱动桥、驱动车轮及部分传动轴均属于簧下质量，汽车簧下质量较大，这是它的一个缺点。驱动桥的轮廓尺寸主要取决于主减速器的型式。在汽车轮胎尺寸和驱动桥下的最小离地间隙已经确定的情况下，也就限定了主减速器从动齿轮直径的尺寸。在给定速比的条件下，如果单级主减速器不能满足离地间隙要求，可该用双级结构。在双级主减速器中，通常把两级减速器齿轮放在一个主减速器壳体内，也可以将第二级减速齿轮作为轮边减速器。对于轮边减速器：越野汽车为了提高离地间隙，可以将一对圆柱齿轮构成的轮边减速器的主动齿轮置于其从动齿轮的垂直上方；公共汽车为了降低汽车的质心高度和车厢地板高

19、度，以提高稳定性和乘客上下车的方便，可将轮边减速器的主动齿轮置于其从动齿轮的垂直下方；有些双层公共汽车为了进一步降低车厢地板高度，在采用圆柱齿轮轮边减速器的同时，将主减速器及差速器总成也移到一个驱动车轮的旁边。在少数具有高速发动机的大型公共汽车、多桥驱动汽车和超重型载货汽车上，有时采用蜗轮式主减速器，它不仅具有在质量小、尺寸紧凑的情况下可以得到大的传动比以及工作平滑无声的优点，而且对汽车的总体布置很方便。（2）断开式驱动桥断开式驱动桥区别于非断开式驱动桥的明显特点在于前者没有一个连接左右驱动车轮的刚性整体外壳或梁。断开式驱动桥的桥壳是分段的，并且彼此之间可以做相对运动，所以这种桥称为断开式的。

20、另外，它又总是与独立悬挂相匹配，故又称为独立悬挂驱动桥。这种桥的中段，主减速器及差速器等是悬置在车架横梁或车厢底板上，或与脊梁式车架相联。主减速器、差速器与传动轴及一部分驱动车轮传动装置的质量均为簧上质量。两侧的驱动车轮由于采用独立悬挂则可以彼此致立地相对于车架或车厢作上下摆动，相应地就要求驱动车轮的传动装置及其外壳或套管作相应摆动。汽车悬挂总成的类型及其弹性元件与减振装置的工作特性是决定汽车行驶平顺性的主要因素，而汽车簧下部分质量的大小，对其平顺性也有显著的影响。断开式驱动桥的簧下质量较小，又与独立悬挂相配合，致使驱动车轮与地面的接触情况及对各种地形的适应性比较好，由此可大大地减小汽车在不平

21、路面上行驶时的振动和车厢倾斜，提高汽车的行驶平顺性和平均行驶速度，减小车轮和车桥上的动载荷及零件的损坏，提高其可靠性及使用寿命。但是，由于断开式驱动桥及与其相配的独立悬挂的结构复杂，故这种结构主要见于对行驶平顺性要求较高的一部分轿车及一些越野汽车上，且后者多属于轻型以下的越野汽车或多桥驱动的重型越野汽车。（3）多桥驱动的布置为了提高装载量和通过性，有些重型汽车及全部中型以上的越野汽车都是采用多桥驱动，常采用的有44、66、88等驱动型式。在多桥驱动的情况下，动力经分动器传给各驱动桥的方式有两种。相应这两种动力传递方式，多桥驱动汽车各驱动桥的布置型式分为非贯通式与贯通式。前者为了把动力经分动器传

22、给各驱动桥，需分别由分动器经各驱动桥自己专用的传动轴传递动力，这样不仅使传动轴的数量增多，且造成各驱动桥的零件特别是桥壳、半轴等主要零件不能通用。而对88汽车来说，这种非贯通式驱动桥就更不适宜，也难于布置了。为了解决上述问题，现代多桥驱动汽车都是采用贯通式驱动桥的布置型式。在贯通式驱动桥的布置中，各桥的传动轴布置在同一纵向铅垂平面内，并且各驱动桥不是分别用自己的传动轴与分动器直接联接，而是位于分动器前面的或后面的各相邻两桥的传动轴，是串联布置的。汽车前后两端的驱动桥的动力，是经分动器并贯通中间桥而传递的。其优点是，不仅减少了传动轴的数量，而且提高了各驱动桥零件的相互通用性，并且简化了结构、减小

23、了体积和质量。这对于汽车的设计(如汽车的变型)、制造和维修，都带来方便。1.5主减速器1.5.1功用主减速器是汽车传动系中减小转速、增大扭矩的主要部件。对发动机纵置的汽车来说，主减速器还利用锥齿轮传动以改变动力方向29。汽车正常行驶时，发动机的转速通常在2000至3000r/min左右，如果将这么高的转速只靠变速箱来降低下来，那么变速箱内齿轮副的传动比则需很大，而齿轮副的传动比越大，两齿轮的半径比也越大，换句话说，也就是变速箱的尺寸会越大。另外，转速下降，而扭矩必然增加，也就加大了变速箱与变速箱后一级传动机构的传动负荷。所以，在动力向左右驱动轮分流的差速器之前设置一个主减速器，可使主减速器前面

24、的传动部件如变速箱、分动器、万向传动装置等传递的扭矩减小，也可变速箱的尺寸质量减小，操纵省力。1.5.2类型按参加传动的齿轮副数目，可分为单级式主减速器和双级式主减速器。有些重型汽车又将双级式主减速器的第二级圆柱齿轮传动装置设置在两侧驱动轮处，称为轮边减速器。按主减速器的传动速比个数，可分为单速式和双速式主减速器。单速式的传动比是一定值，而双速式则有两个传动比(即两条传动路线)供驾驶员选择。按齿轮副结构形式，可分为圆柱齿轮式(又可分为定轴轮系和行星轮系)主减速器和圆锥齿轮式（又可分为螺旋锥齿轮式和双曲面锥齿轮式)主减速器。1.5.3主减速器的构造与工作原理（1）单级主减速器 应用：轿车和一般轻

25、、中型货车特点：结构简单、体积小、重量轻、传动效率高图2-1单级主减速器构造及工作情况：万向传动装置传来的动力由叉形凸缘经花键传给主动齿轮、从动齿轮，减速变向后，通过螺栓传给差速器壳，由差速器传给两侧半轴驱动齿轮。结构分析1）主动锥齿轮的支承型式有跨置式和悬臂式2）从动锥齿轮的安装及其支承装置3）主减速器的调整装置(a)轴承预紧度的调整主动锥齿轮轴承预紧度多用垫片来调整从动锥齿轮轴承预紧度有调整螺母调整和垫片调整(b)齿轮啮合印痕和间隙调整4）锥齿轮的类型（2）双级主减速器图2-2双级主减速器 图2-3轮边减速器在一些减速比比较大的减速器常常采用，第一级为锥齿轮传动，第二级为圆柱斜齿轮传动。双

26、级主减速器的结构特点：1）第一级为圆锥齿轮传动，其调整装置与单级主减速器类同；2）由于双级减速，减小了从动锥齿轮的尺寸，其背面一般不需要止推装置；3）第二级为圆柱齿轮传动，圆柱齿轮多采用斜齿或人字齿，传动平稳；4）双级主减速器的减速比为两对副减速比的乘积。（3）轮边减速器1）应用于重型载货车、越野汽车或大型客车上。2）一般将双级主减速器中的第二级减速齿轮机构制成同样的两套，分别安装在两侧驱动车轮的近旁，称为轮边减速器。3）特点：较大的主传动比和较大的离地间隙，半轴和差速器等零件尺寸减小；但结构较复杂，成本较高（4）双速主减速器1）为充分提高汽车的动力性和经济性，有些汽车装用具有两挡传动比的主减

27、速器。2）常见的结构形式由一对圆锥齿轮和一个行星齿轮机构组成。齿圈和从动锥齿轮连成一体，行星架则与差速器的壳体刚性地连接。3）动力由锥齿轮副经行星齿轮机构传给差速器，最后由半轴传输给驱动轮图2-4双速主减速器1.6驱动桥壳驱动桥壳是安装主减速器、差速器、半轴、轮毂和悬架的基础件，同时，它又是行驶系的主要组成件之一。1.6.1功用支承并保护主减速器、差速器和半轴等；与从动桥一起，支承车架及其上的各总成重量；承受各种反力及力矩，经悬架传给车架29。1.6.2分类1）整体式特点：强度、刚度较大，且检查、拆装和调整主减速器、差速器方便，普遍应用于各类汽车上。2）分段式特点：易于铸造，加工方便，但维护不

28、便，目前已很少使用。图2-5整体式桥壳 图2-6分段式桥壳1.7金杯SY6474的相关基本参数SY6475A车用发动机为SY492Q-2型发动机，其性能参数如下：型式：四冲程、水冷、直列、顶置气门、化油器式发动机。燃油种类：90号汽油GB484工作容积：2.237L缸径及活塞行程：91mm86mm压缩比：8.8：1最大功率：64kW/(4000-4500r/min)最大扭矩：175Nm/(2800-3200r/min)底盘及电器部分的技术参数为： 离合器：SY6474为单片、干式、液压操纵； 变速器：金杯SY6474轻型客车采用的是四速变速器，四档全同步器，四个档位的速比为3.835，2.32

29、7，1.397，1.0，倒档速比为4.251。传动轴：采用管状、开式、滚针轴承万向节。驱动桥(后桥)：主减速器为双曲线圆锥齿轮，主减速比为5.375，差速器为对称锥齿轮轮间差速器，并采用全浮式半轴。转向器：均采用循环球齿条齿扇式。悬架：前后悬架均采用纵置、半椭圆形钢板弹簧，减振器为液力双向作用筒式。制动系统：均采用带真空助力器的双回路制动系统。金杯SY6474轻型客车的前制动器为双领浮蹄、后制动器为领从浮蹄鼓式制动器。轮胎与轮辋：轮胎规格为6.50R16.8层级，轮辋规格为5.00EX16规格。轮胎气压为(34310)kPa。电器设备：采用负极搭铁线路系统。蓄电池型号为6-QA-90，容量为9

30、0Ah。SY6474的起动机型号为312型，电压与功率分别为1.2V和1.lkW；发电机为JF系列型整流交流发电机。1.8有限元法基本原理1.8.1有限元法基本思想有限元的基本思想是：将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连续的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在第一单元中假设一插值函数以求表示单元中中场函数的分布规律，进而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题3。1.8.2有限元分析问题的基本步骤有限元法分析问题的基本步骤26：(1)结构的离散化。离散化就是将要分析的结构分割成有限个单元体，并在单

31、元体的指定点设置节点，使相邻单元的有关系数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体以代替原来的结构。结构离散化时，划分的单元大小和数目应根据计算精度的要求和计算机的容量来决定。(2)选择位移差值函数。为了能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，必须对单元中位移的分布作一定的假设，即假定位移是坐标的某个简单的函数。选择适当的位移函数是有限单元法分析中的关键。通常采用多项式作为位移函数。(3)分析单元的力学特性。利用几何方程、结构方程和变分原理最终得到单位刚度矩阵。(4)集合所有单元的平衡方程，建立整体结构的平衡方程。先将各个单元刚度矩阵合成整体刚度矩阵，然后将各单元的等效节

32、点力列阵集合成总的载荷列阵。(5)由平衡方程组求解未知节点位移和计算单元应力。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同26。有限元求解问题的基本步骤如下：（1）问题及求解域定义。根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。（2）求解域离散化。将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小(网络越细)则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。（3）确定状态变量及控制方法。一个具体的物理问题通常可以用一组包含

33、问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。（4）单元推导。对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵(结构力学中称刚度阵或柔度阵)。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺陷的危险，将导致无法求解。（5）总装求解。将单元总装形成离散域的总矩阵方程(联合方程组)反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定

34、的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数(可能的话)连续性建立在结点处。（6）联立方程组求解和结果解释。有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。1.8.3有限元网格划分方法与基本原理1有限元网格划分的指导思想有限元网格划分的指导思想是首先进行总体模型规划，包括物理模型的构造、单元类型的选择、网格密度的确定等多方面的内容。在网格划分和初步求解时，做到先简单后复杂，先粗后精，2D单元和3D单元合理搭配使用。为提高求解的效率要充分利用重

35、复与对称等特征，由于工程结构一般具有重复对称或轴对称、镜象对称等特点，采用子结构或对称模型可以提高求解的效率和精度。利用轴对称或子结构时要注意场合，如在进行模态分析、屈曲分析整体求解时，则应采用整体模型，同时选择合理的起点并设置合理的坐标系，可以提高求解的精度和效率，例如，轴对称场合多采用柱坐标系。有限元分析的精度和效率与单元的密度和几何形状有着密切的关系，按照相应的误差准则和网格疏密程度，避免网格的畸形。在网格重划分过程中常采用曲率控制、单元尺寸与数量控制、穿透控制等控制准则。在选用单元时要注意剪力自锁、沙漏和网格扭曲、不可压缩材料的体积自锁等问题。典型有限元软件平台都提供网格映射划分和自由

36、适应划分的策略。映射划分（Mapped/IsoMesh）用于曲线、曲面、实体的网格划分方法，可使用三角形、四边形、四面体、五面体和六面体，通过指定单元边长、网格数量等参数对网格进行严格控制，映射划分只用于规则的几何图素，对于裁剪曲面或者空间自由曲面等复杂几何体则难以控制。自由网格划分（Free/Pavers）用于空间自由曲面和复杂实体，采用三角形、四边形、四面体进行划分，采用网格数量、边长及曲率来控制网格的质量。例如，在MSC.MARC中，其转换（Convert）用法是几何模型转换为网格模型，点转换为节点，曲线转换为线单元，面转换为三角形、四边形等。网格自动划分（Auto Mesh）则是在任意

37、曲面上生成三角形或者四边形，对任意几何体生成四面体或者六面体。网格重划分（Remesh）是在每一步计算过程中，检查各单元法向来判定各区域的曲率变化情况，在曲率较大变形剧烈的区域单元，进行网格加密重新划分，如此循环直到满足网格单元的曲率要求为止。网格重划分的思想是通过网格加密的方法来提高分析的精度和效率。网格自适应划分（Adaptive Refinement）的思想是在计算步中，升高不满足分析条件的低阶单元的阶次来提高分析的精度和效率，应用比较广泛。自适应网格划分必须采用适当的单元，在保证单元阶次的基础上，原本已形成的单元刚度矩阵等特性保持不变，才能同时提高精度和效率。阶谱单元（Hierarch

38、ical Element）充分发挥了自适应网格划分的优点，在计算中通过不断增加初始单元的边上的节点数，从而使单元插值函数的阶次在前一阶的基础上不断增加，通过引入新增节点的插值函数来提高求解的精度和效率。例如，三节点三角形单元升为六节点三角形单元，四节点四边形单元升阶为8节点四边形单元，四节点四面体单元升阶为8节点、10节点、20节点四面体。2有限元网格划分的基本方法有限元网格划分方法有两种，对于简单的结构多采用直接建立单元模型的网格直接生成法，当对象比较复杂时，多通过几何自动生成法来完成，即在几何元素描述的物理基础上自动离散成有限单元。有限元单元可以按几何维数划分为一维、二维和三维单元，而在实

39、际应用中采用拓扑结构单元，包括常用的质量单元、弹簧元、杆与梁管单元、平面三角形单元、平面四边形单元、膜单元、等参单元、壳单元和三维实体单元。有限元网格划分，对于二维平面、三维曲面和三维实体网格有以下几种划分方法：（1）覆盖法：基于四边形的网格划分，要求网格划分的平面或曲面必须是完整裁减曲面，该曲面边界必须是裁减曲线；（2）前沿法：通过把曲面等参变换到二维空间进行网格划分，然后映射到三维空间曲面上，把曲面划分成完全的四边形单元或三角形单元；（3）Delaunay三角形法：主要用于由至少一条封闭曲线所围成的单连通域或多连通域内生成三角形单元，趋向于等边三角形。充分考虑了几何形状中细微的几何特征，并

40、在微小特征处划分成较细的单元，在不需要密网格处，采用稀疏单元网格。（4）转换扩展法：针对曲面几何形状比较规则的几何区域进行网格划分，其网格生成速度快，网格质量高。由节点扩展为线单元，从线单元生成平面二维单元，从二维单元生成三维单元。它不仅仅用于三维网格的生成，同时可进行一维、二维网格和几何体的生成，包括移动、镜像、拉伸、旋转、扫描三维实体的扩展方式、扩展系数和扩展方向。3网格质量的评估单元的质量和数量对求解结果和求解过程影响较大，如果结构单元全部由等边三角形、正方形、正四面体、立方六面体等单元构成，则求解精度可接近实际值，但由于这种理想情况在实际工程结构中很难做到。因此根据模型的不同特征，设计

41、不同形状种类的网格，有助于改善网格的质量和求解精度。单元质量评价一般可采用以下几个指标：（1）单元的边长比、面积比或体积比以正三角形、正四面体、正六面体为参考基准。理想单元的边长比为1，可接受单元的边长比的范围线性单元长宽比小于3，二次单元小于10。对于同形态的单元，线性单元对边长比的敏感性较高阶单元高，非线性比线性分析更敏感。（2）扭曲度：单元面内的扭转和面外的翘曲程度。（3）疏密过渡：网格的疏密主要表现为应力梯度方向和横向过渡情况，应力集中的情况应妥善处理，而对于分析影响较小的局部特征应分析其情况，如外圆角的影响比内圆角的影响小的多。（4）节点编号排布：节点编号对于求解过程中的总体刚度矩阵

42、的元素分布、分析耗时、内存及空间有一定的影响。合理的节点、单元编号有助于利用刚度矩阵对称、带状分布、稀疏矩阵等方法提高求解效率，同时要注意消除重复的节点和单元。4装配结构中单元的协调（1）自由度不同的单元不协调：例如，ANSYS中SHELL63、BEAM4和SOLID45三种单元，前二者均包含六个自由度，而Solid45只包含三个平动自由度，因此后者只传递前二者的平动位移，不传递R旋转方向的位移。（2）有相同自由度的单元不总是协调的：例如，ANSYS中BEAM3和SHELL41单元，Beam3具备平动方向的三个自由度，而SHELL41包括两个平动自由度(UX/UY)和一个旋转自由度(RTOTZ

43、)，因此SHELL41只能传递BEAM3的平动位移，不能传递旋转方向的值。（3）ANSYS中三维梁单元与三维壳单元具有相同的六个自由度：壳单元旋转自由度与平面旋转刚度相关，为虚拟刚度，不是真实的自由度，同时，要注意三维梁单元与壳单元出现不匹配的问题。5常用单元的选用原则有限元网格划分中单元类型的选用对于分析精度有着重要的影响，工程中常把平面应变单元用于模拟厚结构，平面应力单元用于模拟薄结构，膜壳单元用于包含自由空间曲面的薄壁结构。对块体和四边形，可以选择全积分或缩减积分，对线性六面体和四边形单元，可以采用非协调模式。由于三角形单元的刚度比四变形单元略大，因此相对三节点三角形单元，优先选择四边形

44、四节点单元。如果网格质量较高且不发生变形，可使用一阶假定应变四边形或六面体单元，六面体单元优先四面体单元和五面体锲形单元。十节点四面体单元与八节点六面体单元具有相同的精度。网格较粗的情况下使用二阶缩减积分四边形或四面体单元，对于橡胶类体积不可压缩材料使用Herrmann单元，避免体积自锁。在完全积分单元中，当二阶单元被用于处理不可压缩材料时，对体积自锁非常敏感，因此应避免模拟塑性材料，如果使用应选用Herrmann单元。一阶单元被定义为恒定体积应变时，不存在体积自锁。在缩减积分单元中，积分点少，不可压缩约束过度，约束现象减轻，二阶单元在应变大于2040时应小心使用，一阶单元可用于大多数应用场合

45、并具有自动沙漏控制功能26。1.8.4有限元法的优点有线元法的特点是适用于求解各种形式(几何上、物理上)复杂的问题，精度高，通用性强，对问题的处理既彻底又系统，适用于采用电子计算机方式。它本是线性问题的解法，但通过迭代法(如牛顿一拉裴森迭代法)也能巧妙地解决非线性问题27。其优点如下：(1)概念浅显，容易掌握。可以在不同的水平上建立起对该法的理解；可以通过非常直观的物理概念来理解；也可以建立基于严格的数学分析的理论。(2)适用性强，应用广泛，几乎适用于求解所有的连续介质和场问题。(3)采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可以充分利用高速计算机所提供的方便。1.9计算机软件的选择本课题采用PR

46、O/E和ANSYS有限元分析软件，对金杯SY6474汽车主减速器壳进行有限元分析。1.9.1ANSYS软件简介 ANSYS软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、电子、造船、汽车交通、国防工业、土木工程、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。其分析类型有：结构静力分析、结构动力分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、电压分析28。ANSYS软件具有以下三个方面的特点： （1）强大而广泛的分析功能：可广泛用于求解结构、热、流体、电磁、声学等多物

47、理及多场耦合的线性、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、优化设计等许多功能及使用工具；（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。ANSYS分析过程包含3个主要的步骤：（1）创建有限元模型，并定义材料属性和划分网格；（2）施加载荷并求解；（3）查看结果，并分析结果的正确性。1.9.2PRO/E软件简介 ProENGINEER是业界领先的三维CADCAM机械设计自动化软件。Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能

48、30。（1）参数化设计和特征功能 Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。（2）单一数据库 Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。Pr

49、o/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不像其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任

50、何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。 Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力 (人工)和工程制图能力(不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS标准)，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL)和黑

51、白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer功能如下：（1)特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）；（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。（4） 支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件，交替排列，ProPROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等)。（5） 贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动)。 其它辅助模块将进一步提高扩展 ProENGINEER的基本功能。2 汽车主减速器壳的建模2.1主减速器壳的结构特点主减速器

52、壳体组件为汽车底盘重要零件之一，主要对差速器组件及主、从动螺旋伞齿轮组件起定位和支承作用。在汽车行驶的过程当中，主减速器壳主要承受轴承传递的径向和轴向压力，易磨损，是一个结构复杂，受力复杂的部件。2.2利用PRO/E实现主减速器壳的三维建模设计主减速器壳时，对其二维图纸进行分析，从整体看壳体的形状既不对称也不规则，但整体看可以认为是一圆柱，然后在其基础上进行切除、草绘、打孔、拉伸等特征，从而完成三维型。2.2.1 生成底部造型首先按壳体的尺寸在俯视基准面先画一个圆，将其拉伸为圆柱，现在其表面草绘一孔，然后阵列得到12个孔特征，如图2-1、2-2所示。图2-1 陈列前 图2-2阵列后图2-3图2

53、-3是在2-2的基础上，做了草绘和拉伸特征。2.2.2生成顶部造型草绘、拉伸、旋转特征图2-4草绘 拉伸 旋转图2-5旋转生成筋特征，如图2-6、2-7所示。图2-6生成筋图2-7扫描伸出项 图2-8草绘、拉伸图2-9旋转去除材料2.2.3处理内部细节草绘、拉伸、去除材料特征，如图2-10、2-11所示。图2-10拉伸切除材料图2-11扫描切口2.2.4完成主减速器壳的三维造型完成壳体造型，如图2-12、2-13所示。图2-12主减速器壳图2-13主减速器壳2.3PRO/E文件导入ANSYS首先，安装ANSYS时，必须安装了ANSYS Connection For Pro/ENGINEER模块

54、（代号82）。在开始_程序_ANSYS 9.0_ANS_ADMIN Utility中，选择configuration options，选择configure connection for Pro/E，输入模块类型，图形类型、工作空间 图2-14 PRO/E文件导入ANSYS的壳体模型图作空间大小等，再输入Pro/E的安装路径，完成连接安装，此时将在Pro/E的相关文件夹中产生一个protk.dat文件。运行Pro/E，窗口中可能出现一个不能连接的提示，打开一个已建好的模型 （可以不必输入材料特性），此时在Pro/E的菜单中（屏幕右边）最后一行会出现ANSYS GEOM，单击它，直到自动调用并启

55、动了ANSYS，此时再选取File import Pro/E，在文件名栏中输入正确的文件名，点OK即可完成输入。 应特别注意的问题是，被打开的*.prt文件必须在Pro/E的工作目录中，或者Pro/E与ANSYS有相同的工作目录，否则会出现找不到*.anf文件的错误。 另外，如果在Pro/E command栏中填入系统的正确的命令如proe2000i2或proe2001，再点取OK则会重新传输模型后再导入。3汽车主减速器壳的静力分析本章通过对减速器壳的静力学分析，得到主减速器壳的应力、应变、位移的情况，并进行强度较核，找出设计的缺陷。3.1结构静力学分析概述结构静力学分析是用于分析稳态载荷或固定不变的惯性载荷（如重力和离心力）引起的系统或部件的应力、应变、变形位移等。结构静力学分析包括线性和非线性分析26。结构静力学分析的方程：Kx=F （3.1）结构静力学分析就是按方程3.1平衡关系确定计算的，其中K为刚度系数矩阵，x为位移矢量，F为力矢量26。3.2主减速器壳的静力分析在变