驅(qū)動(dòng)橋殼分析

1、新產(chǎn)品 最新動(dòng)態(tài)技術(shù)文章企業(yè)目錄資料下載視頻/樣本反饋/論壇  技術(shù)應(yīng)用 | 基礎(chǔ)知識(shí) | 外刊文摘 | 業(yè)內(nèi)專(zhuān)家 | 文章點(diǎn)評(píng) 投稿 發(fā)表科技文章  基于A(yíng)NSYS的汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析作者：武漢理工大學(xué) 楊波 羅金橋有限元分析最基本的研究方法就是“結(jié)構(gòu)離散單元分析整體求解”的過(guò)程。經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，有限元法的理論日趨完善，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一批通用和專(zhuān)用的有限元軟件。ANSYS是當(dāng)前國(guó)際上流行的有限元分析軟件，廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，是一種通用程序，可以用它進(jìn)行所有行業(yè)的幾乎任何類(lèi)型的有限元分析，如汽車(chē)、宇航、鐵路、機(jī)械和電子等行業(yè)。ANSYS軟件將實(shí)體建模、系統(tǒng)組裝、有

2、限元前后處理、有限元求解和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析等集成一體，最大限度地滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)分析的需要。通過(guò)結(jié)合ANSYS軟件，能高效準(zhǔn)確地建立分析構(gòu)件的三維實(shí)體模型，自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格，建立相應(yīng)的約束及載荷工況，并自動(dòng)進(jìn)行有限元求解，對(duì)模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圖形顯示和結(jié)果輸出，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性作出評(píng)價(jià)。它包括結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析、磁場(chǎng)分析、熱分析和多物理場(chǎng)分析等眾多功能模塊。 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼是汽車(chē)上的主要承載構(gòu)件之一，其作用主要有：支撐并保護(hù)主減速器、差速器和半軸等，使左右驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的軸向相對(duì)位置固定；同從動(dòng)橋一起支撐車(chē)架及其上的各總成質(zhì)量；汽車(chē)行駛時(shí)，承受由車(chē)輪傳來(lái)的路面反作用力和力矩并經(jīng)懸架傳給車(chē)架等。驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)有

3、足夠的強(qiáng)度和剛度且質(zhì)量小，并便于主減速器的拆裝和調(diào)整。由于橋殼的尺寸和質(zhì)量比較大，制造較困難，故其結(jié)構(gòu)型式應(yīng)在滿(mǎn)足使用要求的前提下應(yīng)盡可能便于制造。驅(qū)動(dòng)橋殼分為整體式橋殼，分段式橋殼和組合式橋殼三類(lèi)。整體式橋殼具有較大的強(qiáng)度和剛度，且便于主減速器的裝配、調(diào)整和維修，因此普遍應(yīng)用于各類(lèi)汽車(chē)上。但是由于其形狀復(fù)雜，因此應(yīng)力計(jì)算比較困難。根據(jù)汽車(chē)設(shè)計(jì)理論，驅(qū)動(dòng)橋殼的常規(guī)設(shè)計(jì)方法是將橋殼看成一個(gè)簡(jiǎn)支梁并校核幾種典型計(jì)算工況下某些特定斷面的最大應(yīng)力值，然后考慮一個(gè)安全系數(shù)來(lái)確定工作應(yīng)力，這種設(shè)計(jì)方法有很多局限性。因此近年來(lái)，許多研究人員利用有限元方法對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行了計(jì)算和分析。本文中所研究的對(duì)象是在某型

4、號(hào)貨車(chē)上使用的整體式橋殼。 一、驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度分析計(jì)算 可將橋殼視為一空心橫梁，兩端經(jīng)輪轂軸承支撐于車(chē)輪上，在鋼板彈簧座處橋殼承受汽車(chē)的簧上載荷，而沿左右輪胎中心線(xiàn)，地面給輪胎以反力（雙胎時(shí)則沿雙胎中心），橋殼承受此力與車(chē)輪重力之差，受力如圖1所示。 圖1 驅(qū)動(dòng)橋殼的受力簡(jiǎn)圖橋殼強(qiáng)度計(jì)算可簡(jiǎn)化成三種典型的工況，只要在這三種載荷計(jì)算工況下橋殼的強(qiáng)度得到保證，就認(rèn)為該橋殼在汽車(chē)行駛條件下是可靠的。 1)牽引力或制動(dòng)力最大時(shí)，橋殼鋼板彈簧座處危險(xiǎn)斷面的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力分別為： 式中： Mv地面對(duì)車(chē)輪垂直反力在橋殼板簧座處斷面引起的垂直平面的彎矩，Mv=m'G2b/2；（b為輪胎中心平面到板

5、簧座之間的橫向距離） Mh牽引力或制動(dòng)力（一側(cè)車(chē)輪上的）在水平面內(nèi)引起的彎矩，Mh=Fx2b Tt牽引或制動(dòng)時(shí)，上述危險(xiǎn)斷面所受轉(zhuǎn)矩，Tt=Fx2rr； Wv、Wh、Wt分別為危險(xiǎn)斷面垂直平面和水平面彎曲的抗彎截面系數(shù)及抗扭截面系數(shù)，之間的關(guān)系如表1所示。 2)當(dāng)側(cè)向力最大時(shí)，外輪和內(nèi)輪上的垂直反力和Fz2o，F(xiàn)z2i以及橋殼內(nèi)、外板簧座處斷面的彎曲應(yīng)力i、o之間的關(guān)系，分別為： 3)當(dāng)汽車(chē)通過(guò)不平路面時(shí)，危險(xiǎn)斷面的彎曲應(yīng)力為： 式中k為動(dòng)載荷系數(shù)。對(duì)于轎車(chē)，k取1.75；對(duì)于貨車(chē)，k取2.0；對(duì)于越野車(chē)，k取2.5。 橋殼的許用彎曲應(yīng)力為300MPa500MPa，許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為150MPa

6、400MPa?？慑戣T鐵橋殼取較小值，鋼板沖壓焊接橋殼取較大值。 上述橋殼強(qiáng)度的傳統(tǒng)計(jì)算方法，只能算出某一斷面的應(yīng)力平均值，而不能完全反映橋殼上應(yīng)力及其分布的真實(shí)情況。因此，它僅用于對(duì)橋殼強(qiáng)度的驗(yàn)算，或用作與其他車(chē)型的橋殼強(qiáng)度進(jìn)行比較，而不能用于計(jì)算橋殼上某點(diǎn)（例如應(yīng)力集中點(diǎn)）的真實(shí)應(yīng)力值。使用有限元法對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行強(qiáng)度分析，只要計(jì)算模型簡(jiǎn)化得當(dāng)，受力約束處理合理，就可以得到比較詳細(xì)的應(yīng)力與變形的分布情況，這些都是上述傳統(tǒng)計(jì)算方法所難以辦到的。 二、實(shí)現(xiàn)方法 一般來(lái)說(shuō)，在整個(gè)有限元求解過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)是有限元前處理模型的建立。這一般包括幾何建模、定義材料屬性和實(shí)常數(shù)（要根據(jù)單元的幾何特性來(lái)設(shè)置

7、，有些單元沒(méi)有實(shí)常數(shù)）、定義單元類(lèi)型，網(wǎng)格劃分、添加約束與載荷等。由于汽車(chē)零部件結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，包含許多復(fù)雜曲面，而一般有限元軟件所提供的幾何建模工具功能相當(dāng)有限，難以快速方便地對(duì)其建模。因此，針對(duì)較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以先在三維CAD軟件（如在UG中）建立幾何模型，然后在有限元分析軟件ANSYS中通過(guò)輸入接口讀入實(shí)體模型，最后在A(yíng)NSYS中完成其分析過(guò)程。 三、有限元計(jì)算模型的建立 被分析汽車(chē)的參數(shù)為：汽車(chē)的名義裝載量m14.0t，滿(mǎn)載軸荷時(shí)后橋負(fù)荷m26.0t，車(chē)輪中心線(xiàn)至鋼板彈簧座中心距離b370mm，兩鋼板彈簧座中心間的距離s1004mm，橋殼本身的重力G0931.6N，橋殼設(shè)計(jì)的安全系數(shù)

8、為7，彈簧上表面面積5000mm2，由此可得到面載荷為5.88MPa。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)承受滿(mǎn)載軸荷時(shí)，橋殼最大變形量不能超過(guò)1.5mm/m；承受2.5倍滿(mǎn)載軸荷時(shí)，橋殼不能出現(xiàn)斷裂和塑性變形。所以垂直方向的載荷取滿(mǎn)載軸荷的2.5倍，即5.88×2.514.78MPa。 首先在UG中建立起驅(qū)動(dòng)橋殼的三維模型。在建立橋殼的有限元模型時(shí)，先對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼實(shí)體做必要的簡(jiǎn)化。對(duì)主要承載件，均保留其原結(jié)構(gòu)形狀，以反映其力學(xué)特性，對(duì)非承載件進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化結(jié)果如圖2所示。 圖2 橋殼的三維模型然后將模型導(dǎo)入到ANSYS中，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時(shí)選用具有較高的剛度及計(jì)算精度的四面體10節(jié)點(diǎn)92號(hào)單元，這樣將該零件劃分為60183個(gè)節(jié)點(diǎn)，29805個(gè)單元，如圖3所示。 圖3 橋殼的有限元模型該驅(qū)動(dòng)橋殼的本體材料為8mm厚的09SiVL鋼板，從材料手冊(cè)中查出其彈性模量E=5MPa，泊松比=0.3，材料密度為7850。計(jì)算橋殼的垂直靜彎曲剛度和靜強(qiáng)度的方法是：將后橋兩端固定，在彈簧座處施加載荷，將橋殼兩端車(chē)輪中心線(xiàn)處全部約束，然后在彈簧座處施加規(guī)定載荷。 四、計(jì)算結(jié)果 在有限元模型中，驅(qū)動(dòng)橋殼在2.5倍滿(mǎn)載軸荷工況下，應(yīng)力及位移云圖分別如圖4、圖5所示，最大位移為0.469E-03m，最大應(yīng)力為2185MPa，出現(xiàn)在半軸套管約