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1、济南开物科技有限公司 No.A2009210 - 1 -804G-3 车桥有限元分析计算报告（初稿） 804G-3 车桥有限元分析计算报告（初稿） 济南开物科技有限公司 编制： 审核： 批准： 日期： 济南开物科技有限公司 No.A2009210 - 2 -目 录 1. 概述.- 3 - 2. 问题描述.- 3 - 3. 弹性有限元法解题步骤.- 3 - 4. 有限元模型建立.- 4 - 4.1. 网格模型和单元选择.- 4 - 4.2. 装配模型和连接单元.- 7 - 4.3. 材料物理性能参数.- 9 - 4.4. 边界约束条件.- 9 - 4.5. 计算工况和载荷.- 10 - 5. 分
2、析结果.- 11 - 5.1. 计算模型一（试验状态）.- 11 - 5.1.1. 工况一：施加螺栓预紧力.- 11 - 5.1.2. 工况二：试验峰值静载（12t） .- 13 - 5.2. 计算模型二（转向状态）.- 20 - 5.3. 计算模型三（工作额定载荷 3 吨+1.78 吨最大转向力/油缸）.- 23 - 5.4. 计算模型四：桥壳自由模态.- 25 - 6. 分析结论与试验结果比较.- 27 - 7. 改进模型与计算结果对比.- 28 - 7.1. 改进模型.- 28 - 7.2. 计算结果对比.- 29 - 8. 初步优化模型与计算结果对比.- 33 - 8.1. 初步优化模
3、型.- 33 - 8.2. 计算结果对比.- 35 - 8.3. 进一步改进.- 41 - 济南开物科技有限公司 No.A2009210 - 3 -1. 概述 一拖(洛阳)开创装备科技有限公司生产的 804G-03 车桥主要用在拖拉机等重型设备， 对其承载能力和刚度有较高的要求。 经实验检测， 原始设计方案未能通过 80 万次的疲劳实验。由于其结构复杂，传统的计算手段不能满足设计精度要求，经讨论研究，均认为可以采用有限元法对其高承载状态下的力学性能进行计算，找出结构的薄弱环节，并对其优化设计，降低应力水平，提高结构的抗疲劳性能。见下图 图 1 804G-3 传动桥装配结构及主要零部件示意图 2
4、. 问题描述 由实验方式可以知道，该结构破坏形式是高周疲劳破坏。现代疲劳破坏理论认为，在循环载荷作用下，尽管结构未达到破坏极限，但是经过一定的循环周期，结构也会发生断裂失效。一般来说，结构疲劳破坏的区域均是结构强度比较薄弱，应力水平较高的地方。通过有限元分析方法找到这些区域，通过优化设计，降低其最大应力水平，可以有效地避免结构的疲劳破坏。 3. 弹性有限元法解题步骤 许多工程问题都可以通过建立有限域上的微分方程来求解， 但对于几何形状和边界条件复杂的问题，想要得到理论解非常困难，这时一般应用数值方法来获得想要的结果，有限元法就是其中的数值方法之一。应用有限元法来求解弹性力学的问题就是弹性有限元
5、法。 实验支架 轮毂 转向节主销 转向节 传动支架 前桥掰销 济南开物科技有限公司 No.A2009210 - 4 -弹性有限元法一般以节点位移为基本未知量，其它未知量（如应力、应变）通过基本方程得到。其解题步骤为： 1) 将连续体离散成有限个单元，相互间以节点连接。 2) 选取以节点位移表示的单元内任意点位移的函数（形函数） ，此函数必须满足单元之间位移的连续性。 3) 建立单元节点力与节点位移的关系，计算各个单元的刚度矩阵。 4) 计算作用在每个节点上的等效节点载荷。 5) 列出所有节点力与所有节点位移的关系，建立总刚度矩阵。 6) 求解节点位移，并求各个单元的应力。 弹性有限元法已经被大
6、量的工程应用证明为解决弹性力学问题的有效方法， 有关理论请参阅相关专著。 4. 有限元模型建立 4.1. 网格模型和单元选择 根据模型的几何形状和分析重点，由于主要的分析对象（桥壳、转向节和传动支架）的几何特征十分复杂， 整体模型以四面体单元为主， 并保持较小的单元尺寸， 以保证计算精度。 圆锥棍子轴承简化几何，离散为一阶四面体；螺钉采用六面体和梁单元结合模型，起紧固连接作用，非重点分析对象；主销球铰副用连接单元代替，传递正确的运动连接关系。 试验支架、转向节主销处理为刚性体，其变形与其它连接相比可以忽略。 图 2 804G-08 整体装配模型示意图 济南开物科技有限公司 No.A200921
7、0 - 5 -图 3 804G-08 整体装配模型示意图 图 4 传动支架 图 5 转向节 图 6 轮毂 图 7 摆销 济南开物科技有限公司 No.A2009210 - 6 -图 8 轴承（简化） 、压套 图 9 转向节主销（刚性体） 图 10 试验支架（刚性体） 图 11 螺钉（梁&体单元结合） 下表列出各个零部件有限元网格概况： 项目 零件/数量 单元类型 单元数量 节点数量划分依据 桥壳 C3D4 986620 218388 几何形状复杂、重点考察对象转向节/2 C3D4 209868 46349 几何形状复杂、重点考察对象传动支架 C3D4 33433 8488 非重点考察对象，提供刚
8、度 轮毂/2 C3D4 20398 5934 非重点考察对象，提供刚度 轴承、压套组合/2C3D4 1303 958 非重点考察对象，传递载荷 摆销 C3D8R 390 544 几何形状简单，非重点考察对 象，传递载荷 济南开物科技有限公司 No.A2009210 - 7 -试验支架/2 R3D3 526 330 非重点考察对象，变形相对微 小，施加边界条件 转向节主销/4 R3D3 2920 1516 非重点考察对象，变形相对微 小，传递载荷 螺钉/22 B31&C3D8R 801 1720 几何简单，非重点考察对象， 传递载荷 总单元数量 1487021 总节点数量 337441 4.2. 装配模型和连接单元 在装配模型中，各个零部件之间的连接和运动关系的模拟是非常重要的，如下图。 图 12 804G-3 装配连接关系 桥壳与转向节之间是 2 对球铰运动副， 限制了桥壳的 6 个自由度。 可用下面的运动简图 来表示： 图 13
