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1、湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文毕业论文轻型汽车QX1060驱动桥壳的有限元分析摘要作为汽车的主要承载件和传力件，驱动桥壳承受了载货汽车满载时的大部分载荷，而且还承受由驱动车轮传递过来的驱动力、制动力、侧向力等，并经过悬架系统传递给车架和车身。因此，驱动桥壳的研究对于整车性能的控制是很重要的。本文以轻型载货汽车QX1060驱动桥壳为研究对象，详细论述了从UG软件中的参数化建模，到ANSYS中有限元模型的建立、边界条件的施加等研究。并且通过对桥壳在四种主要工况下的静力分析和模态分析，直观地得到了驱动桥壳在各对应工况的应力分布及变形情况。从而在保证驱动桥壳强度、刚度与动态性能要求的前
2、提下，为桥壳设计提出可行的措施和建议。关键词：有限元法，UG，ANSYS Workbench，驱动桥壳，静力分析，模态分析AbstractAs the mainly carrying and passing components of the vehicle, the automobile drive axle housing supports the weight of vehicle, and transfer the weight to the wheel. Through the drive axle housing, the driving force, braking force
3、and lateral force act on the wheel transfer to the suspension system, frame and carriage.This article studies based on light truck driver axle of QX1060, discusses in detail from the UG software parametric modeling, establish of ANSYS FEM model, and the boundary conditions imposed, etc. And through
4、drive axle housing of the four main conditions of static analysis and modal analysis, it can access the stress distribution and deformation in the corresponding status of drive axle directly. Thus, under the premise of ensuring the strength of drive axle housing, stiffness and dynamic performance re
5、quirements, the analysis can raise feasible measures and recommendations in drive axle housing design.Keywords：Finite element method，UG，ANSYS Workbench，Drive axle housing，Static analysis，Modal analysis目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题来源及意义11.2 国内外研究现状11.3 ANSYS软件介绍41.3.1 概述51.3.2 ANSYS的主要模块及功能51.3.3 ANSYS的
6、主要技术特点61.3.4 ANSYS Workbench简介71.4 CAD/CAE在汽车设计中的应用81.5 课题研究内容82 驱动桥壳的CAD建模102.1 驱动桥壳的结构特点102.2 UG软件介绍及参数化建模思想102.2.1 UG软件介绍102.2.2 UG参数化建模思想和一般模块介绍112.3 驱动桥壳的建模及简化处理142.3.1 驱动桥壳三维的建模142.3.2 驱动桥壳的模型简化处理163 驱动桥壳静力分析183.1 静力分析概述183.2 驱动桥壳静力分析典型工况183.3 建立驱动桥壳有限元模型203.3.1 几何模型的导入203.3.2 生成桥壳有限元模型213.4 驱
7、动桥壳各工况静力分析233.4.1 冲击载荷工况233.4.2 最大驱动力工况253.4.3 最大制动力工况283.4.4 最大侧向力工况304 驱动桥壳的模态分析344.1 模态分析理论344.2 建立模态分析有限元模型354.3 驱动桥壳模态分析364.3.1 自由模态分析374.3.2 约束模态分析414.3.3 模态分析总结475 课题总结与展望485.1 课题总结485.2 研究展望49参考文献50致谢52附录：电子文档清单53II湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文1 绪论1.1 课题来源及意义本课题来源于湖北汽车工业学院汽车工程系，是汽车设计与分析计算的子课题之一，是后
8、续专业课程的基础，为轻型载货汽车的驱动桥壳设计提供参考。在桥壳的传统设计中，往往采用类比方法，对已有产品加以改进，然后进行试验、试生产。为安全起见，一般要加大安全系数，这使得生产周期延长设计成本增加，而且生产出来的产品往往质量过大。在本课题轻型汽车驱动桥壳的开发设计中，尝试利用有限元分析，在图纸设计阶段就通过建立桥壳的物理和数学模型，模拟桥壳在实际工作中的受载情况，对所设计的产品在计算机上进行有限元分析，发现可能出现的问题，然后改进图纸设计，进行进一步的分析改进。这样，在图纸最终完成后，就可以将设计正式投入生产，对实现最优化设计、提高设计效率、缩短开发周期、节约成本具有重要意义。1.2 国内外
9、研究现状 驱动桥是工程机械底盘的重要部件，其性能直接影响着机械的整体性能。大量实践表明，由于受力复杂，驱动桥壳是各种车辆上比较容易出现破坏的部件之一。因此，国内外都对此进行了大量的研究，主要集中于以下几个方面。1）有限元法有限元法由于能够解决结构形状和边界条件都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。在车辆设计中，有限元法也得到应用。应用有限元法，对车辆的所有结构件、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，进一步可以计算动态响应，较真实地描绘出动态过程。有限元法在车辆设计中的主要应用有1：(1 ) 结构静力
10、分析：分析计算车辆结构与时间无关的应力分布和变形关系，这是在车辆设计中最常见的应用。(2) 结构动力学分析：可分为两类问题。一类是用有限元法进行模态分析，求解车辆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响应分析，即求解得到车辆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2。(3) 温度场分析：分析车辆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) 车辆的断裂力学、接触力学以及车辆碰撞和被动安全性分析。同样，设计驱动桥壳时，作为车辆的主要承载构件之一，驱动桥壳形状和受力都很复杂，因此，要精确计算出驱动桥壳各状态下各处的应力是很困难的3，4
11、。过去，主要是通过对桥壳样品进行台架试验和整车行驶试验，考核桥壳强度和刚度。有时还采用在桥壳上贴应变片的电测方法，让车辆在典型路段上满载行驶或典型工况下工作，以测定桥壳的应力。这些方法只有在有桥壳样品的情况下才能使用，而且需要付出相当大的人力、物力和时间。或者将桥壳看成是一简支梁，校核某些特定断面的最大应力值。我国通常推荐将桥壳复杂的受力状况简化在典型工况下，只要桥壳的强度得到保证，就认为该桥壳在车辆的各种行驶条件下是可靠的。传统的桥壳强度的计算方法，只能近似计算出桥壳某一断面的应力平均值，不能完全反映桥壳上应力及其分布的真实情况。因此，这种方法仅用于对桥壳强度的验算，或用来与其它车型的桥壳强
12、度进行比较，而不能用于计算桥壳上某点的真实应力值。有限元法作为一种现代化的结构计算方法，在一定的前提条件下，可以计算出机械产品各处的位移、应力和应变。在国外，二十世纪七十年代前后，有限元方法逐渐在车辆桥壳的强度分析中得到应用。例如，美国的机械研究所、万国汽车公司等，都曾经使用有限元法计算过桥壳的强度。使用有限元法对车辆驱动桥壳进行强度分析，只要计算模型简化得合理，受力与约束条件处理恰当，就可以得到比较理想的计算结果。而且，可以得到比较详细的应力和变形的分布情况，以及应力集中区域和应力变化趋势，这些都是传统方法难以做到的。因此，在驱动桥壳设计中，应用有限元法具有重要的意义。通过对驱动桥壳进行有限
13、元分析计算，既可以分析驱动桥壳的变形、应力、应变、强度与刚度等情况，也可以分析比较各种设计方案，在保证强度与刚度的前提下，为结构的减重、改进以及优化设计提出可行的措施和建议5。下面将结合一些学者在驱动桥壳上做的有限元研究成果来具体介绍一下有限元法在驱动桥壳设计过程中进行分析、评估和校核中的应用：(1) 驱动桥壳垂直弯曲的静力分析主要是计算桥壳的垂直弯曲强度和刚度。郑燕萍在有限元中将桥壳两端固定，在弹簧座处施加载荷6，得出结论：当桥壳承受满载轴荷时，每米轮距最大变形量不超过1.5mm，强度足够；龙慧对装载机的前驱动桥壳进行了垂直弯曲的有限元强度分析，计算出桥壳应力、变形分布和应力集中，为提高驱动
14、桥壳的承载能力和新产品的开发提供了较为可靠的依据7。(2) 驱动桥壳模态分析驱动桥壳模态分析主要通过计算，得到整个驱动桥壳在自由状态下的固有频率与固有振型，以分析驱动桥壳的动态特性。陈朝阳介绍了多输入/多输出理论模态分析的基本方法8，并用该方法对模型进行了计算，得到其理论解；同时又对该模型进行了实验模态分析，得到了实验解。两种解的误差很小，说明该理论分析方法完全可以应用于驱动桥的模态分析中。褚志刚通过模态分析方法找到了某汽车驱动桥壳的破坏原因。该驱动桥壳在使用中中部区域常出现裂纹，静强度计算表明该桥壳静应力分布合理，破坏区的静应力很小，模态分析中桥壳的前九阶频率在路面谱频率范围内，在路面谱的激
15、励下很容易引起垂直方向的共振9。这不但说明模态分析在驱动桥的研究和设计中有着具体的应用，而且还是必要的。(3) 驱动桥壳的响应分析谐响应分析用于确定线性结构承受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时稳定响应的一种技术；褚志刚求得驱动桥壳在垂直激励作用下的响应以及动应力，找到驱动桥壳典型部位以及破坏的确切位置9。刘万封根据结构应变模态的特点及测试方法，建立了微型汽车驱动桥桥壳的动态响应模型，可以计算出任意载荷条件下结构的应变响应，确定疲劳危险点，进而可以进行结构疲劳分析的计算机模拟10。2）可靠性工程可靠性工程以概率和随机分布为基础，研究各种结构在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。人们对随机现象的研究由来己久，但其在工程中的应用却并非相伴而生。传统设计认为材料本身的性能(强度、韧性、硬度等)和所受到的应力都是常量，以此为指导的产品偏于保守。考虑随机性并在设计中引入可靠度，更真实地反映客观现实，由此设计出的产品也更科学合理。现在，一些发达国家设计制造的某些零件，其寿命可以精确到小时，如果没有可靠性计算，是不可想象的。为了使
