基于有限元方法的汽車驅(qū)動(dòng)橋殼分析

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1、基于有限元方法的汽車驅(qū)動(dòng)橋殼分析撰文/西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院吳超廖敏蚌埠學(xué)院機(jī)械與電子工程系業(yè)紅玲驅(qū)動(dòng)橋橋殼作為汽車的重要承載和傳力部件，其強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)性能直接影響汽車運(yùn)行的安全、平順性和舒適性。本文運(yùn)用有限元法研究了驅(qū)動(dòng)橋殼在最大鉛垂力工況下的靜力分析，得出了驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度和變形符合要求；同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行模態(tài)分析得出了驅(qū)動(dòng)橋殼前六階固有頻率并給出了前四階模態(tài)振型，分析結(jié)果表明橋殼結(jié)構(gòu)合理。上述研究得出的結(jié)論為后續(xù)驅(qū)動(dòng)橋殼的優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)提供了重要的參考依據(jù)。作為汽車總成的重要組成部件，驅(qū)動(dòng)橋殼支撐著汽車的質(zhì)量，并將載荷傳給車輪。汽車在行駛過(guò)程中由于載荷作用

2、產(chǎn)生振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)橋殼振動(dòng)特性直接影響驅(qū)動(dòng)橋本身的振動(dòng)和整車行駛的平穩(wěn)性。因此對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)的研究很有必要。文中利用有限元法進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，為后續(xù)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析提供了參考指導(dǎo)。一、驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析方法以計(jì)算機(jī)和矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的有限元法是對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題或結(jié)構(gòu)問(wèn)題計(jì)算的近似的數(shù)值分析方法。驅(qū)動(dòng)橋殼需要有很大的強(qiáng)度和剛度，驅(qū)動(dòng)橋殼傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是利用數(shù)學(xué)、力學(xué)等理論知識(shí)進(jìn)行計(jì)算。這種方法計(jì)算量大且很復(fù)雜，很難模擬各種工況。根據(jù)汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)、各種受力和約束，應(yīng)用有限元法模擬，可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，結(jié)果可信且接近實(shí)際，能較真實(shí)地模擬出驅(qū)動(dòng)橋

3、動(dòng)態(tài)使用過(guò)程。圖1是汽車驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析流程。首先要建立驅(qū)動(dòng)橋殼的三維數(shù)值模型，結(jié)合橋殼的材料及屬性轉(zhuǎn)化為有限元分析模型，對(duì)有限元模型添加約束邊界并施加載荷，然后計(jì)算求解，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)靜力分析和動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析，通過(guò)有限元后處理分析結(jié)果可分別獲得驅(qū)動(dòng)橋殼的應(yīng)力和變形、固有頻率和振型，結(jié)合材料特性和使用要求進(jìn)行驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度和剛度判斷，從而為改進(jìn)和優(yōu)化驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。二、驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型建立在NX軟件中建立某型汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的三維模型，由于汽車驅(qū)動(dòng)橋橋殼結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，包含許多復(fù)雜曲面。在保證不影響求解精度的前提下，對(duì)幾何模型進(jìn)行一定的

4、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)行一定程度的簡(jiǎn)化或忽略，可以忽略不重要的小尺寸和小孔結(jié)構(gòu)。然后將驅(qū)動(dòng)橋殼輸出為Parasolid數(shù)據(jù)格式，經(jīng)ANSYS的Parasolid接口導(dǎo)入進(jìn)行分析。本文劃分網(wǎng)格時(shí)選用四面體10節(jié)點(diǎn)Tetsolid92實(shí)體單元（四面體10節(jié)點(diǎn)單元具有較高的剛度及計(jì)算精度），賦予其單元材料為16Mn，材料屬性詳細(xì)參數(shù)如表1所示。通過(guò)有限元網(wǎng)格劃分得到20745個(gè)單元，41090個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖2是劃分網(wǎng)格的有限元分析模型。三、驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析1.驅(qū)動(dòng)橋殼的靜力分析驅(qū)動(dòng)橋殼是汽車重要的承重件，在路面凹凸不

5、平時(shí)，將會(huì)受到路面沖擊載荷的作用，這時(shí)鉛垂力最大（即沖擊載荷）。不考慮驅(qū)動(dòng)橋殼所受的側(cè)向力、切向力和彎矩的作用，取2.5倍的靜載荷平均施加在兩個(gè)板彈簧座上。橋殼的相關(guān)數(shù)據(jù)：驅(qū)動(dòng)橋滿載后軸荷為3.2t，簧距800mm，輪距1240mm。式中，G是汽車在靜止情況下驅(qū)動(dòng)橋給路面的載荷；δ為動(dòng)載荷系數(shù)，通常情況下取2.5；g為重力加速度，其值為9.8m/s2；m為驅(qū)動(dòng)橋滿載軸荷。經(jīng)計(jì)算得F垂=39200N。橋殼的載荷約束條件：橋殼輪距處兩平面固定，板簧上施加鉛錘力，具體條件如表2所示，載荷約束方式如圖3所示，求解后得到橋殼的等效位移云圖和應(yīng)力云圖，如圖4和圖5所示。

6、（1）變形分析。從圖4位移云圖可知橋殼在沖擊載荷作用下最大變形發(fā)生在橋殼的中央處，其最大位為0.736mm。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，每米輪距橋殼最大變形量不超過(guò)1.5mm，承受2.5倍滿載軸荷時(shí)，橋殼不能出現(xiàn)斷裂和塑性變形。橋殼的每米變形0.736/1.240<1.5符合國(guó)家要求。（2）應(yīng)力分析。從圖5應(yīng)力云圖可知在沖擊載荷作用下其最大應(yīng)力值為248MPa，發(fā)生在橋殼兩端附近，大部分部位應(yīng)力值在27MPa～82MPa之間。其值小于橋殼材料的許用應(yīng)力343MPa，橋殼的強(qiáng)度符合要求。根據(jù)以上結(jié)論可知，該橋殼在沖擊載荷作用下的強(qiáng)度和變形均符合要求。2.驅(qū)動(dòng)橋殼的模態(tài)

7、分析模態(tài)分析是研究振動(dòng)的主要手段。模態(tài)分析的主要的目的是為了識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析，振動(dòng)故障診斷及預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。驅(qū)動(dòng)橋殼模態(tài)分析可以識(shí)別出其結(jié)構(gòu)的固有頻率以及固有振型，不僅對(duì)于防止汽車發(fā)生共振等情況具有指導(dǎo)作用，而且模態(tài)動(dòng)態(tài)性能也是驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。ANSYS軟件模態(tài)提取方法有BlockLanczos（分塊藍(lán)索斯法）、Subspace（子空間法）、Reduced（縮減法）和UnsymmetricalMethod（非對(duì)稱法）等6種。本文使用ANSYS模態(tài)分析方法中的BlockLanczos法模態(tài)提取

8、法。BlockLanczos法采用了稀疏矩陣求解法，