基于ANSYS的汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析

1、基于ANSYS的汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析武漢理工工大學(xué)汽汽車工程程學(xué)院 楊波,羅金橋橋20005-110-222 HYPERLINK /ewk2004/ewkArticles/408/Article33483.htm# l # CADD/CAAM與制制造業(yè)信信息化 有有限元法法是一種種在工程程分析中中常用的的解決復(fù)復(fù)雜問(wèn)題題的近似似數(shù)值分分析方法法，以其其在機(jī)械械結(jié)構(gòu)強(qiáng)強(qiáng)度和剛剛度分析析方面具具有較高高的計(jì)算算精度而而得到普普遍應(yīng)用用，特別別是在材材料應(yīng)力力、應(yīng)變變的線性性范圍更更是如此此。在汽汽車設(shè)計(jì)計(jì)領(lǐng)域，無(wú)論是是車身、車架的的計(jì)算仿仿真，還還是發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)的曲曲軸以及及傳動(dòng)系系統(tǒng)的計(jì)計(jì)算均使

2、使用到該該方法。 有限元元分析最最基本的的研究方方法就是是“結(jié)構(gòu)構(gòu)離散單元分分析整整體求解解”的過(guò)過(guò)程。經(jīng)經(jīng)過(guò)近550年的的發(fā)展，有限元元法的理理論日趨趨完善，已經(jīng)開開發(fā)出了了一批通通用和專專用的有有限元軟軟件。AANSYYS是當(dāng)當(dāng)前國(guó)際際上流行行的有限限元分析析軟件，廣泛地地應(yīng)用于于各行各各業(yè)，是是一種通通用程序序，可以以用它進(jìn)進(jìn)行所有有行業(yè)的的幾乎任任何類型型的有限限元分析析，如汽汽車、宇宇航、鐵鐵路、機(jī)機(jī)械和電電子等行行業(yè)。AANSYYS軟件件將實(shí)體體建模、系統(tǒng)組組裝、有有限元前前后處理理、有限限元求解解和系統(tǒng)統(tǒng)動(dòng)態(tài)分分析等集集成一體體，最大大限度地地滿足工工程設(shè)計(jì)計(jì)分析的的需要。通過(guò)結(jié)

3、結(jié)合ANNSYSS軟件，能高效效準(zhǔn)確地地建立分分析構(gòu)件件的三維維實(shí)體模模型，自自動(dòng)生成成有限元元網(wǎng)格，建立相相應(yīng)的約約束及載載荷工況況，并自自動(dòng)進(jìn)行行有限元元求解，對(duì)模態(tài)態(tài)分析計(jì)計(jì)算結(jié)果果進(jìn)行圖圖形顯示示和結(jié)果果輸出，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)的動(dòng)態(tài)態(tài)特性作作出評(píng)價(jià)價(jià)。它包包括結(jié)構(gòu)構(gòu)分析、模態(tài)分分析、磁磁場(chǎng)分析析、熱分分析和多多物理場(chǎng)場(chǎng)分析等等眾多功功能模塊塊。 汽車驅(qū)驅(qū)動(dòng)橋殼殼是汽車車上的主主要承載載構(gòu)件之之一，其其作用主主要有：支撐并并保護(hù)主主減速器器、差速速器和半半軸等，使左右右驅(qū)動(dòng)車車輪的軸軸向相對(duì)對(duì)位置固固定；同同從動(dòng)橋橋一起支支撐車架架及其上上的各總總成質(zhì)量量；汽車車行駛時(shí)時(shí)，承受受由車輪輪傳來(lái)的的

4、路面反反作用力力和力矩矩并經(jīng)懸懸架傳給給車架等等。驅(qū)動(dòng)動(dòng)橋殼應(yīng)應(yīng)有足夠夠的強(qiáng)度度和剛度度且質(zhì)量量小，并并便于主主減速器器的拆裝裝和調(diào)整整。由于于橋殼的的尺寸和和質(zhì)量比比較大，制造較較困難，故其結(jié)結(jié)構(gòu)型式式應(yīng)在滿滿足使用用要求的的前提下下應(yīng)盡可可能便于于制造。驅(qū)動(dòng)橋橋殼分為為整體式式橋殼，分段式式橋殼和和組合式式橋殼三三類。整整體式橋橋殼具有有較大的的強(qiáng)度和和剛度，且便于于主減速速器的裝裝配、調(diào)調(diào)整和維維修，因因此普遍遍應(yīng)用于于各類汽汽車上。但是由由于其形形狀復(fù)雜雜，因此此應(yīng)力計(jì)計(jì)算比較較困難。根據(jù)汽汽車設(shè)計(jì)計(jì)理論，驅(qū)動(dòng)橋橋殼的常常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)方法是是將橋殼殼看成一一個(gè)簡(jiǎn)支支梁并校校核幾種種典型計(jì)計(jì)

5、算工況況下某些些特定斷斷面的最最大應(yīng)力力值，然然后考慮慮一個(gè)安安全系數(shù)數(shù)來(lái)確定定工作應(yīng)應(yīng)力，這這種設(shè)計(jì)計(jì)方法有有很多局局限性。因此近近年來(lái)，許多研研究人員員利用有有限元方方法對(duì)驅(qū)驅(qū)動(dòng)橋殼殼進(jìn)行了了計(jì)算和和分析。本文中中所研究究的對(duì)象象是在某某型號(hào)貨貨車上使使用的整整體式橋橋殼。 一、驅(qū)驅(qū)動(dòng)橋殼殼強(qiáng)度分分析計(jì)算算 可將將橋殼視視為一空空心橫梁梁，兩端端經(jīng)輪轂轂軸承支支撐于車車輪上，在鋼板板彈簧座座處橋殼殼承受汽汽車的簧簧上載荷荷，而沿沿左右輪輪胎中心心線，地地面給輪輪胎以反反力（雙雙胎時(shí)則則沿雙胎胎中心），橋殼殼承受此此力與車車輪重力力之差，受力如如圖1所所示。圖1 驅(qū)驅(qū)動(dòng)橋殼殼的受力力簡(jiǎn)圖 橋

6、殼強(qiáng)強(qiáng)度計(jì)算算可簡(jiǎn)化化成三種種典型的的工況，只要在在這三種種載荷計(jì)計(jì)算工況況下橋殼殼的強(qiáng)度度得到保保證，就就認(rèn)為該該橋殼在在汽車行行駛條件件下是可可靠的。 1)牽牽引力或或制動(dòng)力力最大時(shí)時(shí)，橋殼殼鋼板彈彈簧座處處危險(xiǎn)斷斷面的彎彎曲應(yīng)力力和扭扭轉(zhuǎn)切應(yīng)應(yīng)力分分別為： 式中： 地地面對(duì)車車輪垂直直反力在在橋殼板板簧座處處斷面引引起的垂垂直平面面的彎矩矩，；（b為輪輪胎中心心平面到到板簧座座之間的的橫向距距離） 牽牽引力或或制動(dòng)力力（一側(cè)側(cè)車輪上上的）在在水平面面內(nèi)引起起的彎矩矩，； 牽牽引或制制動(dòng)時(shí)，上述危危險(xiǎn)斷面面所受轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，； 分分別為危危險(xiǎn)斷面面垂直平平面和水水平面彎彎曲的抗抗彎截面面系數(shù)及及

7、抗扭截截面系數(shù)數(shù)，之間間的關(guān)系系如表11所示。 2)當(dāng)當(dāng)側(cè)向力力最大時(shí)時(shí)，外輪輪和內(nèi)輪輪上的垂垂直反力力和，以及橋橋殼內(nèi)、外板簧簧座處斷斷面的彎彎曲應(yīng)力力、之間的的關(guān)系，分別為為： 3)當(dāng)當(dāng)汽車通通過(guò)不平平路面時(shí)時(shí)，危險(xiǎn)險(xiǎn)斷面的的彎曲應(yīng)應(yīng)力為： 式中kk為動(dòng)載載荷系數(shù)數(shù)。對(duì)于于轎車，k取11.755；對(duì)于于貨車，k取22.0；對(duì)于越越野車，k取22.5。 橋殼的的許用彎彎曲應(yīng)力力為3000MPPa5500MMPa，許用扭扭轉(zhuǎn)切應(yīng)應(yīng)力為1150MMPa4000MPaa?？慑戝戣T鐵橋橋殼取較較小值，鋼板沖沖壓焊接接橋殼取取較大值值。 上述橋橋殼強(qiáng)度度的傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)算方方法，只只能算出出某一斷斷面的應(yīng)應(yīng)

8、力平均均值，而而不能完完全反映映橋殼上上應(yīng)力及及其分布布的真實(shí)實(shí)情況。因此，它僅用用于對(duì)橋橋殼強(qiáng)度度的驗(yàn)算算，或用用作與其其他車型型的橋殼殼強(qiáng)度進(jìn)進(jìn)行比較較，而不不能用于于計(jì)算橋橋殼上某某點(diǎn)（例例如應(yīng)力力集中點(diǎn)點(diǎn)）的真真實(shí)應(yīng)力力值。使使用有限限元法對(duì)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋橋殼進(jìn)行行強(qiáng)度分分析，只只要計(jì)算算模型簡(jiǎn)簡(jiǎn)化得當(dāng)當(dāng)，受力力約束處處理合理理，就可可以得到到比較詳詳細(xì)的應(yīng)應(yīng)力與變變形的分分布情況況，這些些都是上上述傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)算方方法所難難以辦到到的。二、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)方法 一般來(lái)來(lái)說(shuō)，在在整個(gè)有有限元求求解過(guò)程程中最重重要的環(huán)環(huán)節(jié)是有有限元前前處理模模型的建建立。這這一般包包括幾何何建模、定義材材料屬性性和實(shí)常常數(shù)

9、（要要根據(jù)單單元的幾幾何特性性來(lái)設(shè)置置，有些些單元沒(méi)沒(méi)有實(shí)常常數(shù)）、定義單單元類型型，網(wǎng)格格劃分、添加約約束與載載荷等。由于汽汽車零部部件結(jié)構(gòu)構(gòu)形狀較較為復(fù)雜雜，包含含許多復(fù)復(fù)雜曲面面，而一一般有限限元軟件件所提供供的幾何何建模工工具功能能相當(dāng)有有限，難難以快速速方便地地對(duì)其建建模。因因此，針針對(duì)較復(fù)復(fù)雜的結(jié)結(jié)構(gòu)，可可以先在在三維CCAD軟軟件（如如在UGG中）建建立幾何何模型，然后在在有限元元分析軟軟件ANNSYSS中通過(guò)過(guò)輸入接接口讀入入實(shí)體模模型，最最后在AANSYYS中完完成其分分析過(guò)程程。 三、有有限元計(jì)計(jì)算模型型的建立立 被分分析汽車車的參數(shù)數(shù)為：汽汽車的名名義裝載載量m114.0

10、t，滿載軸軸荷時(shí)后后橋負(fù)荷荷m26.00t，車車輪中心心線至鋼鋼板彈簧簧座中心心距離bb3770mmm，兩鋼鋼板彈簧簧座中心心間的距距離s10004mmm，橋殼殼本身的的重力GG09931.6N，橋殼設(shè)設(shè)計(jì)的安安全系數(shù)數(shù)為7，彈簧上上表面面面積50000mmm2，由此可可得到面面載荷為為5.888MPPa。根根據(jù)國(guó)家家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)承受受滿載軸軸荷時(shí)，橋殼最最大變形形量不能能超過(guò)11.5mmm/mm；承受受2.55倍滿載載軸荷時(shí)時(shí)，橋殼殼不能出出現(xiàn)斷裂裂和塑性性變形。所以垂垂直方向向的載荷荷取滿載載軸荷的的2.55倍，即即5.88822.514.78MMPa。 首先在在UG中中建立起起驅(qū)動(dòng)橋橋殼的三

11、三維模型型。在建建立橋殼殼的有限限元模型型時(shí)，先先對(duì)驅(qū)動(dòng)動(dòng)橋殼實(shí)實(shí)體做必必要的簡(jiǎn)簡(jiǎn)化。對(duì)對(duì)主要承承載件，均保留留其原結(jié)結(jié)構(gòu)形狀狀，以反反映其力力學(xué)特性性，對(duì)非非承載件件進(jìn)行了了一定程程度的簡(jiǎn)簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)簡(jiǎn)化結(jié)果果如圖22所示。圖2 橋橋殼的三三維模型型 然后將將模型導(dǎo)導(dǎo)入到AANSYYS中，對(duì)其進(jìn)進(jìn)行網(wǎng)格格劃分，劃分網(wǎng)網(wǎng)格時(shí)選選用具有有較高的的剛度及及計(jì)算精精度的四四面體110節(jié)點(diǎn)點(diǎn)92號(hào)號(hào)單元，這樣將將該零件件劃分為為601183個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)，298805個(gè)個(gè)單元，如圖33所示。圖3 橋橋殼的有有限元模模型 該驅(qū)動(dòng)動(dòng)橋殼的的本體材材料為88mm厚厚的099SiVVL鋼板板，從材材料手冊(cè)冊(cè)中查出出其彈

12、性性模量EE=5MMPa，泊松比比=00.3，材料密密度為778500。計(jì)算算橋殼的的垂直靜靜彎曲剛剛度和靜靜強(qiáng)度的的方法是是：將后后橋兩端端固定，在彈簧簧座處施施加載荷荷，將橋橋殼兩端端車輪中中心線處處全部約約束，然然后在彈彈簧座處處施加規(guī)規(guī)定載荷荷。 四、計(jì)計(jì)算結(jié)果果 在有有限元模模型中，驅(qū)動(dòng)橋橋殼在22.5倍倍滿載軸軸荷工況況下，應(yīng)應(yīng)力及位位移云圖圖分別如如圖4、圖5所所示，最最大位移移為0.4699E-003m，最大應(yīng)應(yīng)力為221855MPaa，出現(xiàn)現(xiàn)在半軸軸套管約約束處。在不考考慮由于于約束影影響造成成的局部部過(guò)大應(yīng)應(yīng)力的情情況下，應(yīng)力較較大值分分布在鋼鋼板彈簧簧座的兩兩側(cè)，約約為2440MPPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材材料的許許用應(yīng)力力5110MPPa6610MMPa。所以，該橋殼殼是符合合結(jié)構(gòu)強(qiáng)強(qiáng)度要求求的。圖4 22.5倍倍滿載荷荷條件下下的Miisess應(yīng)力云云圖圖5 22.5倍倍滿載荷荷條件下下的Miisess