学位论文-汽车驱动桥壳ug建模及有限元分析.pdf
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1、九%学晓JIU JIANG UNIVERSITY毕业论文题 目 汽车驱动桥壳UG建模及有限元分析英文题目.Modeling by UG and Finite ElementAnalyzing of AutomobileDrive Axle Housing院 系 机械与材料工程学院专 业_车辆工程_姓 名_班 级指导教师摘要本篇毕业设计(论文)题目是汽车驱动桥壳建模UG及有限元 分析。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
2、。本课题以重型货车驱动桥壳为对象,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。并且通过对桥壳在不同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,驱动桥壳,静力分析,模态分 析AbstractThis gra dua tion project entitled“Modeling a nd Finite Element Ana lyzing of Automobile Drive Axle
3、 Housing”.As the ma inly ca rrying a nd pa ssing components of the vehicle,the a utomobile drive a xle housing supports the weight of vehicle,a nd tra nsfer the weight to the wheel.Through the drive a xle housing,the driving force,bra king force a nd la tera l force a ct on the wheel tra nsfer to th
4、e suspension system,fra me a nd ca rria ge.The a rticle studies ba sed on hea vy truck driver a xle,discusses in deta il from the UG softwa re pa ra metric modeling,esta blish of ANSYS FEM model,a nd the bounda ry conditions imposed,etc.And through drive a xle housing of the different ma in conditio
5、ns of sta tic a na lysis a nd moda l a na lysis,it ca n a ccess the stress distribution a nd deforma tion in the corresponding sta tus of drive a xle directly.Thus,under the premise of ensuring the strength of drive a xle housing,stiffness a nd dyna mic performa nce requirements,the a na lysis ca n
6、ra ise fea sible mea sures a nd recommenda tions in drive a xle housing design.Pla ns to esta blish thet hree-dimensiona lmodel by UG,to ma ke a ll kinds of emula tion a na lysis by Ansys.I K ey words Finite element method,UG,ANSYS,Drive a xle housing,Sta tic a na lysis,Moda l a na lysis目录刖百.1第一章绪论.
7、21.1 汽车桥壳的分类.错误!未定义书签。1.2 国内外研究现状.31.3 有限元法及其理论.51.4 a nsys 软件介绍.71.5 研究意义及主要内容.91.6 本章小结.错误!未定义书签。第二章驱动桥壳几何模型的建立.错误!未定义书签。2.1 UG软件介绍.82.2 桥壳几何建模时的简化处理.错误!未定义书签。2.3 桥壳几何建模过程.错误!未定义书签。2.4 本章小结.错误!未定义书签。第三章驱动桥壳静力分析.333.1静力分析概述.333.2静力分析典型工况.343.3驱动桥壳有限元模型的建立.363.3.1几何模型导入.363.3.2材料属性及网格划分.363.4驱动桥壳各工况
8、静力分析.393.4.1冲击载荷工况.363.4.2最大驱动力工况.323.4.3最大侧向力工况.343.5本章小结.错误!未定义书签。第四章驱动桥壳模态分析.494.1模态分析概述.494.2模态分析理论.504.3驱动桥壳模态分析有限元模型的建立.404.4驱动桥壳模态分析求解及结果.414.5驱动桥壳模态分析总结.474.6本章小结.47结论.48参考文献.50致谢.52、?4-刖s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。本课题基于Ansys软件用有限
9、元法分析驱动桥壳,为以后驱动桥 壳减重、优化等奠定一定基础。1第一章绪论1.1 汽车桥壳的分类汽车通常由发动机、底盘、车身和电器设备四部分组成。其中底 盘由传动系、行驶系、转向系和制动系四个部分组成,而汽车驱动桥 是传动系中不可缺少的组成部分。汽车驱动桥壳是汽车上重要的承载构件之一,其主要作用有:支 撑并保护主减速器、差速器和半轴等,使左右车轮的轴向间距相对固 定;与从动桥一起支撑车架以及以上的部件总质量;汽车行驶时,承 受由车轮传来的路面反作用力和力矩并经悬架传给车架,驱动桥应有 足够的强度和刚度且质量小,并便于主减速器的拆装和调整。由于桥 壳的质量和尺寸比较大,制造较困难,故其结构形式在满
10、足使用要求 的前提下应尽可能便于制造。驱动桥壳分为整体式桥壳,分段式桥壳 两类。1、整体式桥壳由于制造方法不同可分为几种:整体铸造、钢板冲压焊接、中段 铸造两端压入钢管、钢管扩展成型等形式。整体式桥壳的结构如图 1-1所示,本课题分析的重型载货汽车驱动桥壳就属于此类。2图1-1东风EQ 109 0E汽车驱动桥壳1-半轴套管;2-后桥壳;3-放油孔;4-后桥壳垫片;5-后盖6-油面孔;7-凸缘盘;8-通气塞2、分段式桥壳分段式桥壳一般由两段组成,也有三段甚至多段组成的,各段之 间用螺栓连接。它主要由铸造的主减速器、壳盖、两个钢制半轴套筒 及凸缘组成。有的分段式桥壳之间可以相对移动,采用独立悬架。
11、分段式桥壳 比整体式桥壳易于铸造,加工简单,但维修不便。当拆卸主减速器时,必须把整个驱动桥从汽车上拆下来。分段式桥壳多用于中型汽车和轻 型汽车上。1.2 国内外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3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
12、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。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。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
13、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 4用。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
14、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。下面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
15、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,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,为提高驱动桥壳的承载能力和新产品的开发提供 了较为可靠的依据。(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 5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,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
16、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,在路面谱的激励 下很容易引起垂直方向的共振。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
17、的确切位 置。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 6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,
18、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。为了使驱动桥的性能更为优良,寿命更加符合人们的 要求,包括桥壳、齿轮到半轴的设计都必须将可靠度考虑进去。3)优化算法现代优化算法包括禁忌搜索算法、模拟退火算法、遗传算法和拉 格朗日松弛算法等。这些算法涉及生物进化、人工智能、数学和物理 学、神经系统和统计力学等概念,是以一定的直观基础构造的算法,称之为启发式算法。启发式算法的兴起与计算复杂性理论的形成有密 切关系。当人们不满足于常规算法求解复杂问题时,现代优化算法开 始体现其作用。将优化算法引入驱动桥及其各元件的设计,可以减小部件体积、节省材料、优化传动结构、优化传动零件的参数,使其设计更
19、趋于科 学合理。4)虚拟仿真虚拟现实是计算机相关技术中的重要课题,继多媒体技术之后,正日益引起驱动桥厂商及开发设计部门的高度关注。这不仅因为它的 概念、理论及设备新颖,而且一经实现就表现出了强大的生命力,展 示出极具应用前景的态势。71.3 有限元法及其理论在19世纪,有限元方法的思想已经作为一种数值求解的方法被 提出来了,然而求解需要的巨大工作量,超出了当时人们的能力。所 以这种方法当时并没有实际应用的可能性。20世纪中期开始,电子 计算机技术的出现和迅速发展为人们提供了巨大的数值计算能力。在 此基础上,人们重新对有限元法的实际应用展开研究。20世纪50年 代,工程师首先对飞机结构进行了有限
20、元分析,从此,有限元法进入 了实际应用阶段。有限元法的分析步骤分为结构的离散化、单元分析、整体分析三 步。有限元法是利用分割近似的原理,把连续结构分离成有限各子结 构,再在子结构上寻找满足一定要求的近似解。单元分析的任务就是确定单元载荷向量低和单元结点位移向 量怩和单元刚度矩阵泣。它们之间的关系如下:6=同区(1.1)若已知怆,我们还可以求得单元应变向量旧和单元应力向量 Q.因同(1.2)其中团为几何矩阵。9=同同8(1.3)其中设为应力矩阵。a=Des(1.4)”=区%4%的 式中:团=卜 J及%2为弹性矩阵1-1-4 1-/对称1 22E。+)(1-2)1一221 2/2 J(1.5)式中
21、:E为材料的弹性模量,为材料的泊松比。将离散化的单元再组合起来,进行整体分析,确定结构的荷载向 量但和整体位移向量整之间的整体刚度矩阵周。设离散结构有n 个结点,其中任意结点的位移可表示为他,这些结点位移按结点标 号从小到大的顺序排列,得结构的整体位移向量:3=邛.3:那(1.6)而归只有通过结构的整体分析,建立以伊为基本未知量的平衡 方程组,进行求解后才能求出。这个方程为:但=区9(1.7)若已知可,则可以求得各单元内部的结点位移,随之解出应变 和应力。这个就是有限法的大体解决思路。随着有限元法及计算机技术的飞速发展,各种有限元软件也得到 了日新月异的发展。有限元软件现已成为使用有限元方法解
22、决各种工 程问题的关键,它使有限元方法转化为直接推动科技进步和社会发展 的生产力,使之发挥巨大的科技和经济效益。1.4.ANSYS软件介绍ANSYS是集结构、热、流体、电磁、声学既相互耦合分析于一 体的大型通用有限元软件,可广泛地应用于核工业、铁道石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船生物医药、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。ANSYS程序不但功能强大,应用范围很广,而且其直观形象化的 图形用户界面(GUI)及优秀的程序构架使其易学易用。该程序使用 了基于Motif标准的GUI,可方便地访问ANSYS的多种控制功能和选 项。通过GUI可以方
23、便地交互访问程序的各种功能、命令、用户手册 和参考资料。同时该软件提供了完整的在线说明和状态途径的超文本 帮助系统,以协助有经验的用户进行高级应用H。ANSYS的主要模块及功能1)ANSYS的处理器ANSYS按功能可分为若干处理器:包括1个前处理器、N个求解 10器、2个后处理器,几个辅助处理器如优化处理器等。ANSYS前处理 器用于生成有限元模型,指定随后求解中所需的选择项;ANSYS求解 器用于施加载荷及边界条件,然后完成求解运算;ANSYS后处理提供 了强大的后处理功能,使用户很方便地获得分析结果。其功能包括:结果的彩色云图,等值线图,梯度,矢量,粒子流,切片,透明现实,变形及动画显示,
24、B MP、PS、TI FF、I I PGL.WMF等格式图片的输出与 交换;计算结果的排序、检索、列表及数字运算;其他功能还包括优 化功能、子结构、子模型等。2)ANSYS的分析功能ANSYS软件的分析功能包括结构分析、非线性分析、电磁分析、谐波分析、瞬态分析、响应谱分析、随机振动分析和屈曲分析。非线 性分析包括材料非线性分析、几何非线性分析和状态非线性分析。热 分析包括稳态热分析、瞬态热分析、相变分析、和热-结构耦合分析。电磁场分析包括静态电磁场,低频时变电磁场和高频时变电磁场分 析。耦合场分析包括热-结构、热-磁、磁-结构、流体-热、流体-结 构、热-电等。3)ANSYS与CAD及CAE软
25、件的接口ANSYS可提供于大多数的CAD软件的接口,例如Pro/E、UG、CATI A、I DEAS,Solid-Works等,可直接读取这些CAD文件的图形或图形转 换文件。ANSYS还可以直接集成到Pro/E、UG等CAD环境中,真正作 到CAD/CAE 一体化。4)优化模块11ANSYS的优化设计允许优化任何合理参数,包括形状、应力、自 然频率、温度、磁势等,可应用于任何类型的分析(结构、热、流体、电磁),并且是唯一能够实现电磁场、流场以及耦合场优化的有限元 分析。5)ANSYS的数据库ANSYS使用统一的集中式数据库来存储数据及求解结果。模型数 据通过前处理器写入数据库;载荷和求解结果
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