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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53V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，是后续
8、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 国内外研
9、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 ) 结构静力分
10、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度
12、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元
13、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，为提高驱动桥
14、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，在路面谱的激励
15、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
16、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
17、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。其中最有代表性的软件是ADAMS( Automatic Dynamic Analysis of Mechan
18、icalSystem)软件，是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真分析软件(现已被MSC公司收购)。它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。1.3 ANSYS软件介绍1.3.1 概述 ANSYS公司由John Swanson博士创立于1970年，总部位于宾夕法尼亚州的匹兹堡，ANSYS软件是该公司的主要产品，它是集结构、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
19、、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11。1.3.2 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
20、个前处理器、N个求解器、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，BMP、PS、TIFF、IIPGL、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、
21、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软件的接口ANSYS可提供于大多数的CAD软件的接口，例如Pro/E、UG、CATIA、IDEAS、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
22、ANSYS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；载荷和求解结果通过求解器写入数据库；后处理结果通过后处理器写入数据库，如果需要，可为其他处理器所用。1.3.3 ANSYS的主要技术特点ANSYS作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在以下几个方面：1）数据统一。ANSYS使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、
23、分析求解及多场分析的数据统一；2）强大的求解功能。ANSYS提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器；3）强大的非线性分析功能。ANSYS具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析；4）智能网格划分。ANSYS具有智能网格划分功能，能根据模型的特点自动生成有限元网格；5）良好的优化功能。利用ANSYS优化设计功能，用户可以确定最优化设计方案；用ANSYS的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外型优化，寻求物体对材料的最佳利用；6）可实现多场耦合功能。ANSYS可以实现多物理场耦合分析，研究各物理场间的互相影响；7）提供与其它多种程序接口。ANSYS提供了与
24、多数CAD软件及有限元软件的接口程序，可实现数据共享和交换，如Pro/E、UG、CATIA、NASTRAN、AutoCAD、I-DEAS等；8）良好的用户开发环境。ANSYS开放式的结构使用户可以利用APDL语言进行二次开发。1.3.4 ANSYS Workbench简介ANSYS Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。面对制造业信息化大潮、仿真软件的百家争鸣双刃剑、企业智力资产的保留等各种工业需求，ANSYS公司提出的观点是：保持核心技术多样化的同时，建立协同仿真环境。ANSYS仿真协同仿真环境的目标是，通过对产品研发流程中仿真环境
25、的开发与实施，搭建一个具有自主知识产权的、集成多学科异构CAE技术的仿真系统。以产品数据管理PDM为核心，组建一个基于网络的产品研制虚拟仿真团队，基于产品数字虚拟样机，实现产品研制的并行仿真和异地仿真。所有与仿真工作相关的人、技术、数据在这个统一环境中协同工作，各类数据之间的交流、通讯和共享皆可在这个环境中完成。开发这个协同仿真环境的平台便是ANSYS Workbench12。基于Workbench的仿真环境有三点与传统仿真环境有所不同：1）客户化：Workbench像PDM那样，利用与仿真相关的API，根据用户的产品研发流程特点开发实施形成仿真环境，而且用户自主开发的API与ANSYS 已有
26、的API平等。这一特点也称为“实施性”； 2）集成性：Workbench把求解器看作一个组件，不论由哪个CAE公司提供的求解器都是平等的，在Workbench中经过简单开发都可直接调用；3） 参数化：Workbench与CAD系统的关系不同寻常。它不仅直接使用异构CAD系统的模型，而且建立了与CAD系统灵活的双向参数互动关系。当我们结合世界制造业信息化主旋律，在数字化工程背景下审视这三个特点时，会发现Workbench将给产品研发流程带来革命性的变化。1.4 CAD/CAE在汽车设计中的应用计算机辅助设计（CAD）技术自50年代初麻省理工学院D.T.ROSS先生开发APT程序以来，即以其当代“
27、十大技术革命之一”的旺盛生命力，蓬勃地发展起来。最初CAD技术并不是现今的Computer Aid Design所指的计算机辅助产品设计，而是Computer Drawing所指的二维绘画技术。在工业技术革命的深入开展过程中，CAD先后出现了三维曲面造型和实体造型两次重大技术变革，在80年代又出现了基于特征的参数化实体造型技术，它的特点为：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。参数化技术的成功应用，大大推进了计算机辅助集成制造系统的进程，也为其本身的发展注入了强大的生命力，使其成为CAD发展进程中第三次技术革命的核心。其中最具代表性的有CATIA，Pro/E等大型软件。CAD实体
28、造型技术的发展又加速了计算机辅助工程CAE的发展。CAE是以有限元数值计算为核心，将CAD实体模型运用于工程分析的技术。它经历了探索发展、独立发展、专家应用三个阶段，到90年代，已发展为与CAD特征建模相结合，集成为一体的面向设计者的技术。解决的技术问题也从弹性力学问题拓展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析对象从弹性材料拓展到塑性、粘塑性和复合材料；应用领域则从固体力学拓展到流体力学、传热学等领域。计算机软、硬件技术以超乎想象的速度发展着，随之带来了工业设计领域的惊人变革。汽车结构设计领域也不例外，现代设计方法的引进打破了汽车结构设计长期停滞不前的状态，为这一古老的机械行业增添了无限生机。1
29、.5 课题研究内容本课题主要从以下几个方面进行研究工作：1）利用UG建立驱动桥壳的几何模型，并进行适当的模型简化，为建立驱动桥壳的有限元模型奠定基础。2）将UG模型导入ANSYS Workbench中，并且针对其中出现的几何模型数据丢失问题进行局部修复，比如删除重合面，填补缺失体等。因为考虑到这是两个不同软件之间的交换，所以模型的修复是一个细致反复的过程。3）对驱动桥壳四种典型工况，即冲击载荷工况、最大驱动力工况、最大制动力工况以及最大侧向力工况进行静态分析，通过mises应力图和变形图检验驱动桥壳是否满足强度和刚度要求，并且分析影响应力分布的因素。4）对驱动桥壳进行理论模态分析，包括自由模态
30、和约束模态。考察各阶模态对应的频率和振型特点，并运用分析所得的结果为工程实际提供有价值的理论参考，比如路面的激励是否会引起桥壳的共振等。2 驱动桥壳的CAD建模2.1 驱动桥壳的结构特点本课题研究的对象是一款轻型汽车的驱动桥壳，采用的是钢板冲压焊接的方式成形。钢板冲压焊接式桥壳属于整体式桥壳的一种，具有质量小、制造工艺简单、材料利用效率高、抗冲击性能好以及成本低等优点，并适用于大量生产。目前，它在轻型货车和轿车上得到广泛采用。这里所涉及到的钢板冲压焊接驱动桥壳，结构上是一根空心梁。它主要由冲压成形的上下两件桥壳主件和四块三角镶块、前后两个加强环、一个后盖以及两端两个半轴套管焊接而成，以及包括钢
31、板弹簧座、垫圈，销等附件。并且为了防止桥壳内润滑油外溢，在桥壳轴管处焊接了挡油环或加装油封。因此，驱动桥壳的整体建模是一个比较复杂的过程，建模初期就应该适当考虑合理的模型简化。2.2 UG软件介绍及参数化建模思想2.2.1 UG软件介绍UG软件是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造业的CAX（即CAD、CAE、CAM等的总称）高端软件。CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）一般是指工程技术人员以计算机为辅助工具，完成产品的设计、工程分析、绘图等工作，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低生产成本的目的。CAE（Computer Aided Enginee
32、ring，计算机辅助工程分析）也是以计算机为辅助工具，完成产品的结构分析、模态分析、运动仿真等工作，进而对产品的设计进行初步的评定和检查。CAM（ 计算机辅助制造，Computer Aided Manufacturing）是在计算机辅助下完成从准备到产品制造整个过程的活动，包括工艺过程设计、工装设计、NC自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等13。除上述之外，UG也很容易实现产品的创新与开发。UG的产品创新开发技术和手段，主要包括：全集成、全相关、前瞻性、数字样机、快速反映机制和知识工程（KBE）这6个方面。其中全集成包括数据与系统集成、功能集成、过程集成、信息集成、企业集成；全相关是指
33、不仅能在产品内部保持尺寸大小的相关性，而且还具有结构形状的相关，即几何相关，更要具有过程相关；快速反应机制的具体方面有两个：逆向工程（RP）技术与快速成型（RP）技术，前者是对产品进行空间三维测量以获得海量数据并建立测量对象的数字模型；后者是利用数字模型快速建立对象的物理实体，用于评估、分析和作为模芯等。实现这些功能也是靠UG的各个模块独立并协同操作来完成。2.2.2 UG参数化建模思想和一般模块介绍汽车产品在今天也逐步走向系列化、标准化。UG的参数化设计平台不仅仅是表现在各零部件相互影响的基础上，它在零件设计本身也有很多优点，它可以和电子表格建立连接接口，建立一个部件族，可以很方便地生成和修
34、改所需要的部件14。下面举一个标准件螺栓的例子来说明。参数化建模的一般思路准备图：零件的形体分析确定设计变量和建模策略对零件的各种参数进行提取结合零件按形状确定哪些参数是自由的，哪些是固定值。再次结合UG软件参数化建模的特点来确定合适的建模方法图2.1 参数化建模思路图本例参数化建模的过程：1）根据图纸和自由变化参数确定建模方法。2）创建参数化模型。图2.2 参数化模型图3）设置参数之间的关系。图2.3 参数化中的表达式图4）提取自由变化的参数。图2. 4 可提取并修改的参数图5）创建零件库，输入零件系列数据创建零件模型。 图2.5 增加库零件参数图图2.6 完成零件库图6）通过查看生成的各个
35、零件的参数表达式是完全符合第5步电子表格中所给的数据，这说明此部件族已经成功创建，并且这些零件都是可以调用。参数化设计的最大优点就是能够简化重复建模的许多步骤。通过与电子表格的连接，也使得整个过程更加有序13。此次毕业设计主要是采用UG软件进行三维建模，因此有必要将在建模过程中经常使用到的几个模块进行介绍：1）UG/入口模块，它是连接所有UG模块的基础。2）UG/实体建模模块，它将基于约束的特征建模和显式几何模型方法无缝的结合起来，提供了当今CAD/CAM软件界最强有力的“复合建模”工具，使用户可以充分利用集成于先进的、基于特征环境中的传统的实体、面、线框造型的优势。3）UG/特征建模模块，它
36、提供了支持建立和编辑下列各种标准的设计特征：孔、槽、型腔、柱体、块体、锥体、球体、管状体、杆、倒圆和倒角等。4）UG/自由曲面建模模块，它可将实体建模和表面建模的技术合并，建成一个功能强大的建模工具组。5）UG/工程制图模块，它利用UG的复合建模技术，该模块可生成尺寸与实体模型相关的工程图，并保证随着实体模型的改变而同步更新工程图尺寸，包括消隐线和相关横截面视图在内的二维视图在模型修改时也会自动更新。6）UG/装配建模模块，它提供了并行的、自上而下的产品开发方法。UG/Assembly Modeling的主模型在整个装配过程中可以进行设计和编辑。2.3 驱动桥壳的建模及简化处理2.3.1 驱动
37、桥壳三维的建模驱动桥壳的三维设计流程图：通过工程图获桥壳的设计变量确定桥壳各组成部分建模所涉及到的主要几何元素结合软件特点找到合适的建模思路建模中注意参数化思路，选择合适的步骤进行建模图2.7 驱动桥壳的建模思路图在初步建模阶段，为了全面真实地反映驱动桥壳的结构，将对其各部分进行细致建模。驱动桥壳是一个装配组件，涉及到多个小部件。而每一部分的几何构成元素又是各不相同的，所以造成其涉及到的几何建模方法也比较复杂。如中间环形空心梁处比较薄，并且是一系列的曲面过渡。首先建立用于构造曲面的边界曲线，使用UG提供的曲面构造方法构造曲面。一般来讲，对于简单的曲面，可以一次完成建模。而此处桥壳的曲面形状比较
38、复杂，难以一次完成。我们先采用曲线构造方法创建上半部分的四分之一曲面，然后通过曲面的过渡连接、光顺处理、曲面的编辑等步骤完成整体造型。考虑到本课题的主要目的在于对驱动桥壳的有限元分析，所以就不对各部分的具体建模过程进行赘述。完成了对各组成部分的建模步骤后，接下来要进行的就是装配过程。所谓装配就是根据桥壳的实际结构特点及各部件的位置关系，利用UG提供的装配模块组合各部件。驱动桥壳的装配流程图如下：根据驱动桥壳的结构特点确定第一个装配的零件给每个零件创建一个合适的引用集装配过程添加零件装配关系时选 用同一基准(如轴对齐)注意添加零件的顺序和零件的工作状态特殊的零件可适当放在最后装配图2.8 驱动桥
39、壳的装配思路图驱动桥壳的实物完整效果图如下：图2.9 驱动桥壳的UG装配图2.3.2 驱动桥壳的模型简化处理本课题对后桥壳做结构分析的出发点主要是研究它在汽车的典型工况时的变形及应力分布情况。因此，为了有利于分析，我们可以对桥壳模型做合理的简化。1）对于一些不影响分析结果的部件进行删除处理，其中简化的地方包括：压入的半轴套管、主减速器壳、后盖等等。2）结构上去掉了许多起安装及其它作用的小孔、槽、倒角、圆角，以及轮毂轴两端的螺纹等。在UG中建立桥壳的简化模型，其基本步骤如下所述：首先，根据所给车型的图纸，进行主要特征参数的草图绘制工作。桥壳中段的草绘图如下：图2.10 桥壳中段草图然后通过旋转操
40、作生成实体，再进行对称操作。对于中间空心梁区域的几何特征，因为是去除后盖的简化模型，所以采用基准平面两端偏置，在旋转体上削去两边球冠。考虑到驱动桥壳主要工作部位的壳体特征，采用UG软件提供的抽壳操作，留取5mm的桥壳实际厚度。在此基础上，然后再生成驱动桥壳两端的半轴套管。此处不对驱动桥壳的简化模型建模过程作详细叙述。驱动桥壳的简化模型如下图所示：图2.11 驱动桥壳简化模型图2.12 驱动桥壳简化模型剖视图比较驱动桥壳的完整模型（图2.9），简化模型（图2.11）作了很多的处理，这为下一步的有限元模型建立，如网格划分等，奠定了良好的模型基础。3 驱动桥壳静力分析汽车驱动桥壳是汽车上的主要承载构
41、件之一，其形状复杂，而且汽车的行驶条件如道路情况、气候条件及车辆的运动状态等又是千变万化的，因此要精确地计算汽车行驶时作用于桥壳各处应力的大小是很困难的。过去我们国家主要是靠对桥壳样品进行台架试验和整车行驶试验来考核其强度和刚度，有时还采用在桥壳上贴应变片的电测方法，使汽车在选定的典型路面上满载行驶，以测定桥壳的应力。这些方法都是在桥壳有样品的情况下才能采用，而且还都需要付出相当大的人力、物力和时间。3.1 静力分析概述静力分析包括对结构的刚度和强度进行分析这两方面。强度是指构件或零部件在确定外力作用下，不发生破裂或过量塑性变形，即构件或零件抵抗破坏的能力。强度是机械零件正常工作必须满足的最基
42、本要求。机械零件在工作时，不容许出现结构断裂或者塑性变形，也不允许发生表面损坏。强度是指零件抵抗这类失效的能力。零件强度分体积强度和面积强度。前者是拉伸、压缩、剪切、扭转等涉及零件整个体积的强度。后者是指挤压、接触等涉及零件表面层的强度。在体积强度和接触强度中，又可以各自分为静强度和动强度。静强度是指静力时的强度；动强度是指动载荷作用下的强度。刚度分析是指构件或者零部件在确定的外力作用下，不发生弹性形变或位移不超过允许的范围，即构件抵抗变形的能力。汽车在行驶过程中，受到的载荷情况是比较复杂的，其中弯曲和扭转对驱动桥壳的寿命影响很大。如果驱动桥壳的刚度不足，就可能产生开裂的情况，影响整车的性能1
43、5。3.2 驱动桥壳静力分析典型工况驱动桥壳在行驶中受力情况比较复杂，承受的力主要有垂直力、切向力（牵引力和制动力）和侧向力。计算时，我们通常将桥壳复杂的受力状况简化为三类共四种典型工况：车轮承受最大铅垂力（冲击载荷工况）；车轮承受最大切向力（最大牵引力工况和最大制动力工况）；车轮承受最大侧向力（满载侧滑临界工况即侧翻）。只要在这几种载荷计算工况下桥壳的强度得到保证，就认为桥壳在汽车各种行驶条件下是可靠的。下面我们对驱动桥壳的这几种典型工况作详细阐述16：1）冲击载荷工况当汽车高速通过不平路面时，桥壳除承受静止状态下那部分载荷外，还承受附加的冲击载荷。此时不考虑侧向力和切向力，取2.5倍动载荷
44、系数，载荷均匀施加在两个钢板弹簧座上面。动载荷大小为： （3.1）2）最大驱动力工况此工况为汽车满载以最大牵引力作直线行驶时的工况，不考虑侧向力。此时左右驱动轮除作用有垂向反作用力外，还作用有地面对驱动轮的最大切向反作用力。最大驱动力大小为： （3.2）式中：（Nm）是发动机最大转矩；是变速器一档的传动比；是驱动桥的主减速比；是指传动系的传动效率，在计算中无确切的传动效率数据时，可以忽略不计，即取值为1.0 4；（m）是驱动车轮的滚动半径。3）最大制动力工况此种情况为汽车满载紧急制动时的工况，不考虑侧向力。汽车紧急制动时左右驱动车轮除作用有垂直反力外，还作用有地面驱动车轮的制动力。最大制动力大
45、小为： （3.3）式中：G是汽车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷；m2是汽车制动时的质量转移系数，对于轻型载货汽车取值为0.7；是驱动车轮与路面的附着系数，计算时取0.8。4）最大侧向力工况当汽车满载高速急转弯时，会产生一个作用于质心处的很大的离心力，即侧向力。当它达到地面给轮胎的侧向反作用力的最大值，即侧向附着力时，汽车处于侧滑的临界状态。侧向力一旦超过侧向附着力，汽车就会发生侧滑。我们分析侧滑的临界状态，即汽车侧向加速度超过一定限制时，此时汽车内侧车轮的垂直反力为零，从而引起侧翻。侧翻工况时驱动桥的全部载荷由外侧车轮承担。驱动桥承受的侧向力为： （3.4）式中：是驱动桥壳的承受的侧向
46、力；G是汽车满载静止驱动桥所承受的载荷；是侧滑附着系数，取值为1.0。3.3 建立驱动桥壳有限元模型3.3.1 几何模型的导入在将UG软件中建模生成的驱动桥壳CAD模型导入到ANSYS的过程中，由于两个软件之间存在数据交换差异，免不了会产生数据丢失，以至于几何特征缺失的情况。因此，如何在模型导入的过程中如何减少数据丢失，是本课题的一个重要任务。首先，CAD建立几何模型的初始阶段，必须根据驱动桥壳的结构和工作特点，在保持其力学性能不变的条件下，对桥壳结构进行如下简化：1）将桥壳结构中的圆角简化为直角。这样既有利于简化建模，也有利于有限元模型建立过程中提取界面，便于网格划分；2）忽略各装配孔、钢板弹簧座中心孔等几何特征；3）对半轴套管和桥壳中间段进行整体建模，不采用装配方式组合；4）简化受力小而又引起截面突变的部分，如忽略半轴套管的次要台阶等；5）对桥壳主体采用等厚处理，中间牙包区域原本复杂的不规则曲面采用旋转曲面代替。最后得到的UG简化模型见前面图2.12所示。然后将UG几何模型以Parasolid的方式导出保存。从实践中看，较之IGES格式，前者在导入过程中信息保留更完整，减少了模型的修复工作，为有限元模型的建立提供更好的基础。UG和ANSYS Workbench之间良好的数据交换接口，为CAD模型导入提供了顺畅的平台。桥壳导入ANSYS Wor