中型商用車后橋殼設計及力學分析【含有限元分析】【說明書+UG】,含有限元分析,說明書+UG,中型商用車后橋殼設計及力學分析【含有限元分析】【說明書+UG】,中型,商用,后橋,設計,力學,分析,有限元分析,說明書,仿單,ug 設計 題 目： 中型商用車后橋殼結構設計和力學分析 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 起迄日期： 設計地點： Graduation Design (Thesis) Structure Design and Mechanical Analysis of Medium Commercial Vehicle Rear Axle 摘 要 由于驅(qū)動橋殼是汽車的重要部件，所以驅(qū)動橋殼的使用壽命會直接影響汽車的有效使用壽命，故應具有足夠的強度、剛度和良好的動態(tài)特性。 本論文首先利用Unigraphics軟件對驅(qū)動橋殼進行合理地三維建模，然后將其以Parasolid的格式導入ANSYS軟件并以靜、動態(tài)分析理論為基礎做有限元分析，得出橋殼在三種典型工況下的應力分布和變形結果以及在自由狀態(tài)下的14階固有頻率和振型。 通過對驅(qū)動橋殼的力分析，找到了驅(qū)動橋殼最大應力和最容易引起斷裂的部位。最后，利用研究成果對驅(qū)動橋殼的結構和材料要求提出改進措施，并解決驅(qū)動橋殼斷裂問題。 結果表明，該橋殼具有足夠的靜強度和剛度；最小非零固有頻率大于50Hz，不會引起橋殼共振。 關鍵詞：驅(qū)動橋殼；Unigraphics； ANSYS；有限元分析 ABSTRACT Being the automobile's important part, automobile's effective service life is directly influenced by the driving axle housing. So it should have enough intensity, rigidity and dynamic characteristic. Firstly, the Unigraphics software is used to create a reasonable three-dimensional model of the driving axle housing. Then, the model is imported to ANSYS software in Parasolid format .And then finite element analysis can be done on the basis of theory analysis of static and dynamic state. In this way, the stress distribution and deformation in three typical work axle housing cases can be drawn from the analysis. Meanwhile, 14 natural frequencies and mode shapes can also be drawn. Through analyzing the strength of the driving axle housing, the biggest stress spot of the driving axle housing can be found. Finally, using the results of the research, effective methods are used to improve the structure of the driving axle housing, and the requirements of materials, and to solve the fracture problems. The results show that the driving axle housing has enough static strength and stiffness; the minimal nonzero inherent frequency is greater than 50Hz which won’t cause bridge shell resonance. Key words：Drive axle housing；Unigraphics；ANSYS；The finite element analysis 目 錄 第一章 緒 論 1 1.1 引言 1 1.2 研究背景 2 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.4 課題研究的意義和目的 3 1.5 課題的來源和主要研究內(nèi)容 4 1.6 汽車驅(qū)動橋橋殼概述 5 1.6.1 汽車驅(qū)動橋橋殼的分類特點 5 1.6.2 驅(qū)動橋橋殼的作用 5 1.6.3 驅(qū)動橋機械傳動要求 6 1.6.4 結構強度分析要求 6 1.6.5 汽車后橋設計的關鍵技術 7 第二章 有限元法理論及其在汽車設計中的應用 8 2.1 有限元法的概述 8 2.1.1 有限元法的發(fā)展歷史 8 2.1.2 有限元方法的分析過程 8 2.1.3 有限元分析軟件ANSYS的簡介 9 2.2 有限元方法在汽車工業(yè)中的應用 10 2.2.1 有限元法在汽車設計中的運用 10 2.2.2 有限元分析在驅(qū)動橋設計中的應用 11 第三章 驅(qū)動橋橋殼結構受力及強度分析 13 3.1 本商用車主要參數(shù) 13 3.2 驅(qū)動橋橋殼受力的典型計算工況 13 3.2.1 橋殼承受最大垂向力工況 14 3.2.2 橋殼承受最大牽引力工況 14 3.2.3 汽車緊急制動時的橋殼受力分析 15 3.2.4 汽車受最大側向力時的橋殼受力分析 15 第四章 驅(qū)動橋殼三維模型的建立和網(wǎng)格劃分 17 4.1 UG軟件簡介 17 4.2 驅(qū)動橋殼三維建模的過程 18 4.2.1 驅(qū)動橋殼的簡化 18 4.2.2 三維建模 18 4.3 將模型導入ANSYS進行網(wǎng)格劃分 20 4.3.1 驅(qū)動橋有限元模型的建立 20 4.3.2 定義橋殼單元材料屬性 20 4.3.3 有限元模型網(wǎng)格劃分 20 第五章 驅(qū)動橋殼的有限元靜力分析及其優(yōu)化 23 5.1 靜力分析介紹 23 5.2強度理論 23 5.3 驅(qū)動橋橋殼結構分析 24 5.3.1 最大垂向力工況 24 5.3.2 最大縱向力工況 29 5.3.3 結果優(yōu)化 33 5.3.4 最大側向力工況 38 5.4三種工況下結構分析結論 42 第六章 驅(qū)動橋橋殼的模態(tài)分析 44 6.1 模態(tài)分析的作用 44 6.2 ANSYS模態(tài)分析的方法 45 6.3模態(tài)分析結果查看 45 6.4 本章小結 50 第七章 全文總結 51 致 謝 52 參 考 文 獻 53 IX 第一章 緒 論 1.1 引言 汽車作為國民經(jīng)濟和現(xiàn)代生活中不可缺少的一種交通工具，問世百余年來，特別是從汽車產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)及汽車工業(yè)大發(fā)展以來，已為世界經(jīng)濟的大發(fā)展、為人類進入現(xiàn)代生活，產(chǎn)生了無法估量的巨大影響，掀起了一場劃時代的革命。人類社會及人們生活的“汽車化”，大大地擴大了人們?nèi)粘；顒拥姆秶铀倭说貐^(qū)間、國際間的交往，成倍地提高了人們外出辦事的效率，加快了人們的活動節(jié)奏，促進了世界經(jīng)濟的大發(fā)展，開創(chuàng)了現(xiàn)代“汽車社會”這樣一個嶄新的時代。汽車工業(yè)[1]是一個國家工業(yè)化水平的代表性產(chǎn)業(yè)，也是最典型的成熟性產(chǎn)業(yè)，它的興衰成敗決定和影響著一大批相關工業(yè)產(chǎn)業(yè)。汽車工業(yè)的振興能帶動相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展又支撐著汽車工業(yè)的振興。正是基于汽車工業(yè)的產(chǎn)業(yè)關聯(lián)度大、時代性強，特別是快速的技術創(chuàng)新步伐和高投入、高產(chǎn)出的規(guī)模經(jīng)濟之特點，汽車工業(yè)已成為世界公認的推動國民經(jīng)濟發(fā)展的火車頭。 對于我們這樣一個發(fā)展中的國家來說，汽車已成為國民經(jīng)濟以及各項事業(yè)和人民生活、學習、工作、生產(chǎn)等活動中不可缺少的交通工具。我國也將汽車工業(yè)確定為國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。面對汽車產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，人類在使用汽車工具的同時也面臨著隨之而來的問題。目前，汽車每年的石油消耗量約占世界每年石油產(chǎn)量的一半以上。另外，汽車行駛中釋放的COx、NO、S02、鉛微粒和碳微粒等有害物質(zhì)對人們的身體健康和生活環(huán)境造成了極大危害。隨著汽車保有量的增加，能源問題、公害問題、安全問題己成為汽車工業(yè)面臨的三大問題，其中能源問題最為突出。因此如何采用新技術、新材料、新工藝降低汽車耗油量，同時保證其良好的動力性、安全性和經(jīng)濟性己成為汽車工業(yè)發(fā)展的核心問題車輛輕量化是降低能量消耗，減少排放的最有效措施之一，并且減輕車輛自重還能夠減少原材料的消耗，降低車輛的生產(chǎn)成本。其中底盤輕量化是整個車輛輕量化的重要環(huán)節(jié)，而作為主要支承汽車荷重的驅(qū)動橋橋殼的輕量化研究是現(xiàn)在人們大量研究的課題之一。輕量化有兩種途徑，一是應用輕金屬、現(xiàn)代復合材料等低密度材料，達到減重目標；二是仍然使用鋼材，但對結構型式進行優(yōu)化，在保證承載能力和舒適性的前提下減輕質(zhì)量。其中第一種途徑減重效果尤其明顯，但存在研發(fā)成本高，時間長，工藝不成熟等問題，目前還不適合在主要承載結構上使用。后一種途徑能夠在應用現(xiàn)有材料(主要是鋼材)、工藝條件基本不變或新工藝技術易于獲得的情況下有效減輕質(zhì)量，因此更具有實際意義。一般非斷開式驅(qū)動橋、輪轂、制動器及制動鼓的總質(zhì)量，約占一般載貨汽車底盤質(zhì)量的1l％～16％(大致屬于帶雙級減速的驅(qū)動橋)，約占轎車質(zhì)量的3.5％～5％，對于重型貨車，所占比例更大。而普通的非斷開式驅(qū)動橋的質(zhì)量在很大程度上取決于橋殼的結構，因此，減少驅(qū)動橋橋殼的質(zhì)量是車輛輕量化的重要一條途徑。同時，通過減小橋殼質(zhì)量，進而也減小了非簧載質(zhì)量，這樣可使車身振動頻率降低，而車輪振動頻率升高，這對減少共振、改善汽車的平順性是有利的。 驅(qū)動橋是汽車中的重要部件，它承受著來自路面和懸架之間的一切力和力矩，是汽車中工作條件最惡劣的總成之一，如果設計不當，會造成嚴重的后果。當今汽車制造業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是買方市場的形成和產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度日益加快。汽車產(chǎn)品開發(fā)的一個重要手段就是變型設計，即以現(xiàn)有產(chǎn)品為基礎，保持其基本結構和功能不變，對其局部結構、尺寸或配置進行一定范圍內(nèi)的變動和調(diào)整，以此快速形成適應市場需求的新產(chǎn)品。為保證驅(qū)動橋橋殼變型設計的可行性和工作的可靠性，在設計過程中必須對其應力分布、變形和關鍵部位的應力進行計算和校核[1]。 1.2 研究背景 過去我國主要采用對橋殼樣品進行臺架試驗和整車行駛試驗來考核其強度和剛度，有時采用橋殼上貼應變片的電測方法，讓汽車在選定的典型路段上滿載行駛，以測定橋殼的應力；但這些方法都是在有橋殼樣品的情況下才能采用。傳統(tǒng)的驅(qū)動橋橋殼設計方法，是將其看成簡支梁并校核特定斷面的最大應力值。但這種方法不可避免的經(jīng)驗性、局限性和盲目性已經(jīng)暴露出來。 有限元法的使用在我國制造業(yè)中起步較晚，目前普及還不是很廣，在汽車的設計、制造和改進過程中仍主要依靠傳統(tǒng)的手段。這一方面造成局部材料強度余量較大而又無法及早判斷出材料浪費程度的情況；另一方面對車輛實際使用過程中出現(xiàn)的局部強度不足的闖題，只能采取“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”的局部加強方案，而且需要進行多次全面的實車試驗才能確定其有效性。過去，國內(nèi)驅(qū)動橋橋殼設計主要采用的手段是參考傳統(tǒng)樣車或者舊車型的樣品模式，這種方法不僅費用大、試制周期長、經(jīng)驗多于實踐、缺乏科學性，而且也不可能對多種方案進行評價。驅(qū)動橋橋殼是一個十分復雜的結構，用經(jīng)典力學方法不可能得到精確的解答，特別是在設計初期，又不可能有實測數(shù)據(jù)。因此，以往的設計基本上是依賴于經(jīng)驗和類比，缺乏建立在力學特性(強度、剛度等)分析基礎上的科學判據(jù)，設計方法有待提高。有限元設計方法是迄今為止國內(nèi)、外使用最為普遍、最為經(jīng)濟有效的輔助手段，它所包括的有限元輔助設計、有限元輔助分析等一系列內(nèi)容，可極大地減少資源投入、縮短工作周期，而且在工作者認真細致的工作作風下，可保證較高的準確性和與實際情況十分理想的吻合程度。因而在汽車設計制造和改進過程中引入有限元法是十分必要的[6]。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 有限元法是一種現(xiàn)代化的結構計算方法。在國外，20世紀70年代前后，這種方法就逐漸為汽車零件的強度分析所采用，對汽車驅(qū)動橋殼的強度分析也不例外。例如，日本有的公司對橋殼的設計要求是在2.0倍滿載荷的作用下，各斷面(彈簧座處、橋殼與半軸套管焊接處、輪轂內(nèi)軸承根部圓角處)的應力不應超過其材料的屈服極限。國內(nèi)也出現(xiàn)很多利用有限元軟件對驅(qū)動橋橋殼建模并進行強度和剛度計算的例子。借助以計算機技術為核心的現(xiàn)代設計方法使驅(qū)動橋殼設計更豐富深入合理。通常在提高橋殼強度的方案選擇上，大體上有三種觀點：1.使用高強度合金材料。2.通過合理的熱處理，提高橋殼抵抗破壞的能力。3.加大橋殼尺寸，提高橋殼的抗彎截面模量。許多專家對此問題做過深入研究，提出了寶貴的方案，但最終都傾向于從結構上解決問題。近些年來，許多人員利用有限元法對驅(qū)動橋殼結構進行靜力計算和動態(tài)分析。 1.4 課題研究的意義和目的 汽車驅(qū)動橋殼(汽車后橋) 是汽車上的主要承載構件之一,其作用要有:支撐并保護主減速器、差速器和半軸等,使左右驅(qū)動車輪的軸向相對位置固定;同從動橋一起支撐車架及其上的各總成質(zhì)量;汽車行駛時,承受由車輪傳來的路面反作用力和力矩并經(jīng)懸架傳給車架等。驅(qū)動橋殼應有足夠的強度和剛度且質(zhì)量小,并便于主減速器的拆裝和調(diào)整。合理地設計橋殼也是提高汽車平順性和舒適性的重要措施。由于還必須保證車輛在加速、緊急制動和各種不同路面條件下的正常工作，所以橋殼是車輛上工作環(huán)境最惡劣的部件。根據(jù)經(jīng)驗，它們的損壞大部分都是由于外界激勵的頻率達到車橋固有頻率產(chǎn)生的共振引起的較大動應力而造成的。因此，關于橋殼強度的研究就成了車輛零部件破壞研究的重中之重。汽車的行駛狀態(tài)是復雜的，車橋要經(jīng)受各種復雜工況所產(chǎn)生的動態(tài)載荷，這些動態(tài)載荷產(chǎn)生的動應力往往比靜態(tài)應力大出很多倍，它們才是導致橋殼破壞的危險因素。研究驅(qū)動橋殼靜態(tài)和動態(tài)特性；有利于合理地減輕橋殼的質(zhì)量、降低動載荷，提高汽車行駛的平順性，具有重要的現(xiàn)實意義[3]。 隨著科學技術的發(fā)展，汽車的設計和開發(fā)也日益向智能化、環(huán)?；?低排放、輕污染)、安全化以及結構設計輕量化的方向發(fā)展。產(chǎn)品的類型和結構也越來越復雜，對汽車產(chǎn)品的可靠性和安全性的要求也越來越高。本課題研究的目標是通過對某中型貨車的驅(qū)動橋橋殼結構進行強度分析、模態(tài)分析，校核橋殼結構在多種工況下的應力強度和變形剛度，計算出橋殼的固有頻率和振型，獲取結構的動態(tài)特性；針對橋殼強度不足導致易發(fā)生塑性變形，強度儲備較低，應力分布不合理等問題進行研究，為完善驅(qū)動橋殼設計提供一些數(shù)據(jù)參考。本課題的意義在于能夠為企業(yè)在降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的設計水平，從而提高企業(yè)核心競爭力方面提供思路和方法，具有較大的實際意義和經(jīng)濟價值。安全工作的也是一個重要方面。在用戶使用前，我們運用有限元法對已設計制造的驅(qū)動橋殼進行有限元分析，將大大提高驅(qū)動橋殼開發(fā)、設計、分析和制造[4]。 1.5 課題的來源和主要研究內(nèi)容 綜上所述，驅(qū)動橋殼的設計分析水平對整車性能具有很大的影響，應用有限元法進行強度、剛度及模態(tài)等分析更是當今分析方法的必然選擇。本文對某中型商用車后橋橋殼結構進行有限元建模和數(shù)值分析，希望所得的分析數(shù)據(jù)對驅(qū)動橋橋殼的研發(fā)設計有一定的借鑒和指導作用。本文研究的對象是非斷開式驅(qū)動橋橋殼(也稱整體式橋殼)。普通非斷開式驅(qū)動橋，結構簡單、造價低廉、工作可靠。 文中利用UG軟件建立力學分析模型，利用基于ANSYS軟件的有限元方法對橋殼進行了靜力計算(垂直彎曲強度和剛度計算)和模態(tài)分析(計算橋殼的固有頻率及振型)。本課題開展以下幾個方面的研究工作： (1)學習和掌握UG軟件并建立驅(qū)動橋殼的幾何模型，熟悉和使用ANSYS操作界面，以驅(qū)動橋橋殼結構為研究對象，并進行網(wǎng)格劃分、定義材料屬性和系統(tǒng)約束，為建立橋殼的有限元模型奠定基礎。 (2)通過對橋殼的幾何模型的網(wǎng)格劃分，更深入理解模型假設和簡化的方法。 (3)通過橋殼的有限元分析過程的實現(xiàn)，總結ANSYS軟件進行有限元靜力分析和模態(tài)分析的一般步驟和規(guī)范，并建立相應的有限元分析工況。 (4)對橋殼進行靜態(tài)分析(四種典型工況的分析：最大鉛垂力工況、最大牽引力工況、最大制動力工況和最大側向力工況)和模態(tài)分析(計算橋殼的振動模態(tài)和固有頻率)，分析所得的結果，通過對比驗證建立的有限元模型的合理性[2,3]。 1.6 汽車驅(qū)動橋橋殼概述 驅(qū)動橋殼是汽車驅(qū)動橋的主要零件之一，作為主減速器、差速器和半軸的裝配基體，它是汽車的主要承載件和傳力件，支撐著汽車的荷重，并將載荷傳給車輪。在實際行使中，作用在驅(qū)動車輪上的牽引力、制動力、橫向力，也是經(jīng)過橋殼傳到懸掛及車架或者車廂上的。同時，驅(qū)動橋殼的使用壽命直接影響汽車的有效使用壽命。因此，合理地設計驅(qū)動橋殼，使其具有足夠的強度、剛度和良好的動態(tài)特性，減少橋殼的質(zhì)量，有利于降低動載荷，提高汽車行駛平順性和舒適性。 1.6.1 汽車驅(qū)動橋橋殼的分類特點 驅(qū)動橋殼可分為整體式和分段式兩類。 整體式橋殼是橋殼與主減速器殼分開制造，二者用螺栓連接在一起。它的結構優(yōu)點是在檢查主減速器和差速器的技術狀況或拆裝時，不用把整個驅(qū)動橋從車上拆下來，因而維修比較方便，普遍用于各類汽車，如下圖1.1所示。 圖1.整體式后橋殼 分段式橋殼是橋殼與主減速器殼鑄成一體，且一般分為兩段由螺栓連成一體。這種橋殼易于鑄造，但維護主減速器和差速器時必須把整個橋拆下來，否則無法拆檢主減速器和差速器[1]。 1.6.2 驅(qū)動橋橋殼的作用 驅(qū)動橋橋殼是汽車上重要的承載件和傳力件，作為具有廣泛應用市場的非斷開式驅(qū)動橋的橋殼不僅支承汽車重量，將載荷傳遞給車輪，而且還承受由驅(qū)動車輪傳遞過來的牽引力、制動力、側向力、垂向力的反力以及反力矩，并經(jīng)懸架傳給車架或車身。并且在汽車行駛過程中，由于道路條件的千變?nèi)f化，橋殼受到車輪與地面間產(chǎn)生的沖擊載荷的影響，可能引起橋殼變形或折斷。因此，驅(qū)動橋殼應具有足夠的強度、剛度和良好的動態(tài)特性，合理地設計驅(qū)動橋殼是提高汽車平順性的重要措施。 1.6.3 驅(qū)動橋機械傳動要求 驅(qū)動橋是汽車傳動系統(tǒng)中主要總成之一。驅(qū)動橋的設計是否合理直接關系到汽車使用性能的好壞。因此，設計應當滿足如下基本要求： (1) 選擇的主減速比應能保證汽車具有最佳的動力性和燃料經(jīng)濟性。 (2) 外形尺寸要小，保證有必要的離地間隙。 (3) 齒輪及其它傳動件工作平穩(wěn)，噪聲小。 (4) 在各種轉速和載荷下具有高的傳動效率。 (5) 在保證足夠的強度、剛度條件下，質(zhì)量應盡量小，以改善汽車平順性。 (6) 與懸架導向機構運動協(xié)調(diào)，對于轉向驅(qū)動橋，還應與轉向機構運動相協(xié)調(diào)。 (7) 結構簡單，加工工藝性好，制造容易，拆裝、調(diào)整方便。 (8) 設計中應盡量滿足“三化”。即產(chǎn)品系列化、零部件通用化、零件設計標準化。 1.6.4 結構強度分析要求 汽車后橋的結構強度是保證汽車安全性、可靠性的重要指標，汽車后橋結構強度分析也是CAE在汽車工程中應用的一個重要方面。一般都是應用有限元法對后橋的結構進行數(shù)值計算，分析的內(nèi)容主要包括靜力分析、特征值分析以及瞬態(tài)動力分析。 (1) 通過靜力分析可以得到結構的應力、位移分布情況。通過這些分布情況可以判斷結構在工作載荷作用下是否安全、可靠，結構的哪些部位會產(chǎn)生應力集中，哪些部位強度不夠，以便對結構進行改進設計。 (2) 通過特征值分析可以求得結構的固有頻率以及相應的振型。根據(jù)固有頻率和固有振型，可以幫助設計人員分析、查找引起結構振動的原因，并通過改進結構，避免發(fā)生共振。 (3) 通過瞬態(tài)動力分析可以計算汽車結構在動載荷作用下的應力、位移等物理量的響應情況。例如汽車在以一定速度通過顛簸不平的道路時的應力、位移；汽車在受到?jīng)_擊載荷作用時的應力、位移以及這些量隨時間和載荷變化的情況。 1.6.5 汽車后橋設計的關鍵技術 后橋設計時應注意以下三方面： (1) 滿足汽車行駛的平順性和通過性 由于在汽車行駛過程中，驅(qū)動橋的受力情況復雜。非斷開式驅(qū)動橋的橋殼相當于受力復雜的空心梁，它必須有足夠的強度和剛度，同時還應盡量減小其重量，在設計中應妥善地解決這兩種之間的矛盾。對于斷開式驅(qū)動橋來說，由于其主減速器殼裝在車架或車廂上，這樣，主減速器、差速器、全部傳動軸的部分質(zhì)量都轉化為懸掛質(zhì)量，大大地減少了汽車的非懸掛質(zhì)量，加之又配以獨立懸架，因此顯著地提高了汽車行駛平順性。但斷開式驅(qū)動橋的結構復雜。對于很多汽車來說，常常會遇到坎坷不平的壞路面，特別是越野汽車有時還要通過無路區(qū)，為了避免驅(qū)動橋與地面或其上的凸起物相碰撞而使零件損壞或使汽車受阻，因此，驅(qū)動橋中部安裝減速器處的輪廓尺寸不應太大，使之有足夠的離地間隙，以滿足汽車在通過性方面的要求。 (2) 降噪技術的應用 隨著發(fā)動機轉速及汽車行駛速度的提高，降低汽車的噪音已成為汽車設計中的一個重要課題。驅(qū)動橋的噪音主要來自齒輪及其它傳動機件。提高齒輪及其它傳動零件的加工精度，增強齒輪的支承剛度，采用運轉平穩(wěn)、無噪音的雙曲面齒輪做主減速器齒輪，增強橋殼及主減速器殼的剛度以避免其受載變形后破壞齒輪的正確嚙合等等，都是降低驅(qū)動橋工作噪音的有效措施。 (3) 零件的標準化、部件的通用化、產(chǎn)品的系列化 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展及汽車技術的提高，驅(qū)動橋的設計、制造工藝都日益完善。驅(qū)動橋也和其他汽車總成一樣，除了廣泛采用新技術外，在結構設計中日益朝著“零件標準化、部件通用化、產(chǎn)品系列化”的方向發(fā)展及生產(chǎn)組織的專業(yè)化目標前進。應采用能以幾種典型的零部件、以不同方案組合的設計方法和生產(chǎn)方式達到驅(qū)動橋產(chǎn)品的系列化或變型的目的，或力求做到將某一基型的驅(qū)動橋以更換或增減不多的零件，用到不同性能、不同噸位、不同用途并由單橋驅(qū)動到多驅(qū)動橋的變型汽車上。 第二章 有限元法理論及其在汽車設計中的應用 2.1 有限元法的概述 2.1.1 有限元法的發(fā)展歷史 由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點的數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法(FEM，F(xiàn)inite Element Method)。有限元法是隨著電子計算機的應用而發(fā)展起來的一種數(shù)值計算方法。它誕生于20世紀中葉，是根據(jù)變分原理求解數(shù)學物理問題的一種方法。有限元法是將連續(xù)體理想化為有限個單元集合而成，其基本思想——離散化概念早在40年代就已經(jīng)提出來了。50年代英國航空教授阿吉里斯(Argyris)和他的同事運用網(wǎng)格思想成功地進行了結構分析。Courant等人的5組論文探討了早期有限元法的理論，促成了有限元法的誕生。在以后10年中有限單元法在國際上蓬勃發(fā)展起來。60年代中、后期國外數(shù)學家開始介入對有限單元法的研究，促使有限單元法有了堅實的數(shù)學基礎。1965年，辛柯威茨(O．C．Zienkiewicz)和同事Y．K．Cheung宣布，有限單元法適用于所有能按偏分形式進行計算的場問題，這使有限單元法獲得了一個更為廣泛的解釋，有限單元法的應用也推廣到更廣闊的領域。隨著計算機技術和計算方法的發(fā)展，有限元法已成為計算力學和計算工程領域里最有效的計算方法，它幾乎適用于求解所有連續(xù)介質(zhì)和場的問題。在應用領域，有限元法理論己經(jīng)從結構理論逐步改進和推廣到連續(xù)力學的場問題中，比如在熱、流體、場等領域中。事實也證明，有限元方法從出現(xiàn)至今50多年間，其發(fā)展歷程經(jīng)歷了從線彈性到彈塑性到彈粘塑性，從解決小變形問題到大變形問題，從靜力問題到復雜的動力接觸問題、穩(wěn)定問題和波動問題。尤其在計算機和計算技術飛速發(fā)展并廣泛應用的今天，這已經(jīng)成為較為現(xiàn)實而又非常有效的選擇[8,13]。 2.1.2 有限元方法的分析過程 有限單元法是將連續(xù)的區(qū)域離散為一組有限個且按一定方式互相聯(lián)系在一起的單元的組合體。由于單元能按不同的方式進行組合，且單元本身又有不同的形狀，因此可以模型化幾何形狀復雜的求解域。有限單元法的基本原理以結構力學中的位移法為基礎，把復雜的結構或連續(xù)體看成有限個單元的組合，各單元彼此在節(jié)點處聯(lián)結而組成整體。這里把連續(xù)體分成有限個單元的過程，稱之為離散化。先對單元特性進行分析，然后根據(jù)各單元在節(jié)點處的平衡和協(xié)調(diào)條件建立方程，綜合后作整體分析。這樣先離散再綜合的過程，就把連續(xù)體的計算問題轉化為簡單單元的分析與綜合問題。有限元法求解一個具體問題時，分析過程如圖2.1所示： 幾何模型離散 單元分析 整體分析 求解未知節(jié)點位移 圖2.1 有限元分析過程圖 2.1.3 有限元分析軟件ANSYS的簡介 ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級CAD工具之一。ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應用于以下工業(yè)領域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。 ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型。分析計算模塊包括以下幾個方面： 1. 結構靜力分析 用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析 2. 結構動力學分析 結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結構動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。 3. 結構非線性分析 結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 4. 動力學分析 ANSYS程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結構在空間中的運動特性，并確定結構中由此產(chǎn)生的應力、應變和變形。 5. 熱分析 程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結構應力之間的熱－結構耦合分析能力。 6. 電磁場分析 主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設計和分析領域。 7. 流體動力學分析 ANSYS流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應單元和熱－流管單元模擬結構的流體繞流并包括對流換熱效應。 8. 聲場分析 程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結構的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預測水對振動船體的阻尼效應。 9. 壓電分析 用于分析二維或三維結構對AC（交流）、DC（直流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風等部件及其它電子設備的結構動態(tài)性能分析?？蛇M行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應分析、瞬態(tài)響應分析[6,13]。 2.2 有限元方法在汽車工業(yè)中的應用 2.2.1 有限元法在汽車設計中的運用 有限元法運用在汽車設計中，對企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短開發(fā)周期、降低成本具有積極的推動作用。有限元法在汽車設計中的主要應用有： (1) 結構靜力分析：分析計算汽車結構與時間無關的應力分布和變形關系，這是有限元法在汽車設計中最常見的應用。 (2) 結構動力學分析：這又分為兩類問題。一類是用有限元法進行模態(tài)分析，求解汽車結構本身的動態(tài)特性，如固有頻率、振型等；另一類是用有限元法進行強迫響應分析，即求解得到汽車結構在動載荷作用下的響應，這比靜力分析更接近于實際工作情況。 (3) 溫度場分析：分析汽車結構內(nèi)部溫度分布以及熱應力和熱變形的情況，包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)問題。 (4) 流場分析：用有限元法求解汽車流體力學問題，如應用于汽車的空氣動力學計算。 (5) 汽車的斷裂力學、接觸力學以及汽車碰撞和被動安全性分析。 (6) 車身內(nèi)的聲學設計：通過車身模態(tài)與整車模態(tài)的耦合，評價乘員感受的噪聲并進行噪聲控制。 通過詳細的有限元分析，可以仿真與校驗產(chǎn)品在使用中的情況，以求把問題盡早體現(xiàn)出來，避免在制造及使用中發(fā)現(xiàn)問題而引起大返工，確保產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、可靠性、耐久性和維修性。這樣，可以在較短的時間內(nèi)，以較少的投資獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品[14]。 2.2.2 有限元分析在驅(qū)動橋設計中的應用 驅(qū)動橋橋殼工作受力情況復雜，而汽車的行駛條件如道路情況、氣候條件及車輛的行駛狀態(tài)等又是干變?nèi)f化的，因此在設計過程中必須對橋殼的應力、變形、危險部位的應力等進行計算和校核。有限元法已廣泛應用到驅(qū)動橋殼設計中。通過對驅(qū)動橋殼的有限元計算，既可以分析驅(qū)動橋殼的變形、應力、應變、強度及剛度等情況，也可以比較各種設計方案，在滿足強度和剛度要求的條件下，為結構的優(yōu)化設計提出可行的措施和建議。有限元法在橋殼設計過程中的應用主要有以下幾個方面： (1) 橋殼垂直彎曲的靜力分析：主要是計算橋殼的垂直彎曲強度和剛度。方法是將橋殼兩端固定，在彈簧座處施加載荷，當橋殼承受滿載軸荷時，每米輪距最大變形不超過1.5mm/m，承受2.0倍滿載軸荷時，橋殼不能出現(xiàn)斷裂和塑性變形[8]。 (2) 橋殼模態(tài)分析:通過計算，得到整個橋殼在自由狀態(tài)下的固有頻率和固有振型，以分析橋殼的動態(tài)特性。 (3) 橋殼動載荷分析:求得橋殼和彈簧系統(tǒng)在垂直激勵作用下的響應以及動應力，找到驅(qū)動橋殼典型部位以及破壞的確切位置。 (4) 橋殼隨機振動分析:在兩側車輪的垂直方向輸入標準路譜，計算橋殼關鍵部位處的功率譜。 (5) 橋殼疲勞壽命分析:應用有限元法預測橋殼疲勞危險點的位置，或者比較在給定載荷下部件的不同設計造成疲勞壽命的差異。 受力與約束條件處理恰當，就可以得到較理想的計算結果，且可以得到比較詳細的應力和變形分布情況，以及應力集中區(qū)域的應力變化趨勢，這些都是傳統(tǒng)設計方法難以做到的。 第三章 驅(qū)動橋橋殼結構受力及強度分析 3.1 本商用車主要參數(shù) 本文主要對中型商用車驅(qū)動橋殼強度進行分析，整車參數(shù)見表3.1所示。 表3.1貨車主要參數(shù) 整備質(zhì)量（ kg） 4850 裝載質(zhì)量（ kg） 5000 最高車速（km/h） 90 軸距（mm） 2500 輪距(mm) 1740 最大功率（Kw） 117 最大扭矩(N·M) 560 減速器傳動比 6.25 輪胎規(guī)格 8.15-20 3.2 驅(qū)動橋橋殼受力的典型計算工況 汽車的行駛條件如道路情況以及汽車的運動狀態(tài)是復雜多變的，在實際行駛過程中的工況極其復雜，對于全浮式半軸的驅(qū)動橋橋殼的強度計算與半軸強度計算的三種載荷工況相同： 1．汽車滿載行駛通過不平路面承受沖擊荷載時，車輪承受最大鉛垂力工況； 2．汽車滿載并以最大牽引力行駛或緊急制動時，車輪承受最大切向力工況： 3．汽車滿載側滑時，車輪承受最大側向力工況[3,20]； 只要在這三種典型工況下，橋殼的強度得到保證，就認為該橋殼在汽車的各種行駛條件下是可靠的，下圖3.1為橋殼的 受力簡圖： 圖3.1 橋殼受力簡圖 圖中 Fx2i，F(xiàn)x2o——左右側車輪在水平面內(nèi)的牽引力或制動力； Fy2i，F(xiàn)y2o——內(nèi)外側車輪所受的側向力； Fz2i，F(xiàn)z2o——左右側車輪的地面垂直反力； hg，rr——分別為滿載質(zhì)心高度和車輪滾動半徑； 3.2.1 橋殼承受最大垂向力工況 根據(jù)這種典型工況即汽車滿載通過不平路面承受沖擊荷載時，車輪承受最大鉛垂力的極限工況進行靜力分析。汽車在此工況下受垂向動載荷。根據(jù)文獻，垂向動載荷取后橋滿載荷的2.0倍。 ZL=2.0G×b/(a+b) (3-1) ZR=2.0G×a/(a+b) (3-2) 式中：ZL， ZR——分別是施加在左、右鋼板彈簧座上的載荷，N； G——后橋殼滿載軸荷，N； a——左邊鋼板彈簧座中點與橋殼中央點的距離，m； b——右邊鋼板彈簧座中點與橋殼中央點的距離，m； 對于左右對稱的橋殼(本文所研究的橋殼模型為左右對稱結構，a=b) ZL= ZR=2.0G/2=G (3-3) 由查文獻得，該車滿載時后軸的重量為整車重量的70%，故： ZL= ZR=2.0×（4850+5000）×9.8×0.7/2 =67.6 KN P=F/S=6.76×104/(100×80×10-6 )=8.45 MPa 3.2.2 橋殼承受最大牽引力工況 汽車滿載在以最大牽引力行駛時，發(fā)動機以最大轉矩工作，橋殼主要承受垂向力和最大牽引力。為使計算簡化，不考慮側向力，僅按汽車作直線運動計算，另從安全系數(shù)方面作適當考慮。此時左右驅(qū)動輪除作用有垂向反力外, 還作用有地面對驅(qū)動車輪的最大切向反作用力(及牽引力) , 最大牽引力大小為: Pmax= Tmax ig1ig0ηt/rr (3-4) 式中：Tmax——發(fā)動機最大轉矩，N·m； ig1——變速器I擋傳動比； ig0——驅(qū)動橋的主減速比； ηt——傳動系的傳動效率； rr——驅(qū)動車輪的滾動半徑。 根據(jù)汽車的參數(shù)選得：以解放牌平頭式載貨汽車，車輛型號為CA1108PK212為例,發(fā)動機為CA4DF2-16，其額定功率：117KW 2300r/min。最大轉矩： 560N·M， 1400r/min。汽車的輪胎規(guī)格：8.15-20。 Tmax為發(fā)動機最大轉矩560N·M, ig1為變速器I檔傳動比,為6.515; ig0為 驅(qū)動橋的主減速比, 為6.25; ηt為傳動系的傳動效率, 為0.9; rr為驅(qū)動車輪的滾動半徑,為0.508m,代入得： Pmax= 560×6.515×6.25×0.9/0.508=40398 N Fxi=Fxo=Pmax/2=20199 N 3.2.3 汽車緊急制動時的橋殼受力分析 此工況為汽車滿載緊急制動時的工況, 不考慮側向力。汽車緊急制動時,左右驅(qū)動車輪除作用有垂直反力外, 還作用有地面對驅(qū)動車輪的制動力,最大制動力大小為: F =G m’φ/2 (3-5) 式中: G —汽車滿載靜止于水平路面時驅(qū)動橋給地面的載荷; m’ —汽車制動時的質(zhì)量轉移系數(shù),對載貨汽車后驅(qū)動橋一般取0. 75～0.95,取 0. 8; φ —驅(qū)動車輪與路面的附著系數(shù),計算時取0. 75～0. 8,取0. 8。代入得: F=6757.1×0.8×0.8/2=21623 N 3.2.4 汽車受最大側向力時的橋殼受力分析 最大側向力時，縱向力即為零，此時意味著汽車發(fā)生了側滑。外輪上的垂直反力Fx2o和內(nèi)輪上的垂直反力Fx2i分別為 Fx2o=G（0.5+φ1） (3-6) Fx2i=G- Fx2o (3-7) 式中: G ——汽車滿載靜止于水平路面時驅(qū)動橋給地面的載荷； φ1 ——輪胎與地面的側向附著系數(shù), 取1. 0； B2， hg——輪距1.74m，汽車滿載質(zhì)心高度，取0.9m。 外輪上的側向力Fy2o和內(nèi)輪上的側向力Fy2i分別為： Fy2i= Fx2oφ1 (3-8) Fy2o= Fx2iφ1 (3-9) 將具體數(shù)據(jù)代入上面四個式中求得內(nèi)側車輪上的垂直反力Fx2i=0，表明內(nèi)側車輪一翹起，所有的力都由外側車輪承受，則外側車輪的最大側向力Fx2o=Gφ1。 第四章 驅(qū)動橋殼三維模型的建立和網(wǎng)格劃分 4.1 UG軟件簡介 幾何模型的建立是整個有限元分析工作的第一步，也對以后的所有工作有著至關重要的作用，而建模的第一步則選用UG軟件進行三維建模。 UG NX系統(tǒng)提供了一個基于過程的產(chǎn)品設計環(huán)境，使產(chǎn)品開發(fā)從設計到加工真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成，從而優(yōu)化了企業(yè)的產(chǎn)品設計與制造。UG面向過程驅(qū)動的技術是虛擬產(chǎn)品開發(fā)的關鍵技術,在面向過程驅(qū)動技術的環(huán)境中，用戶的全部產(chǎn)品以及精確的數(shù)據(jù)模型能夠在產(chǎn)品開發(fā)全過程的各個環(huán)節(jié)保持相關，從而有效地實現(xiàn)了并行工程。 不僅具有強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和產(chǎn)生工程圖等設計功能；而且，在設計過程中可進行有限元分析、機構運動分析、動力學分析和仿真模擬，提高設計的可靠性；同時，可用建立的三維模型直接生成數(shù)控代碼，用于產(chǎn)品的加工，其后處理程序支持多種類型數(shù)?控機床。另外它所提供的二次開發(fā)語言UG/OPen GRIP，UG/open API件具有以下特點： (1) 具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，真正實現(xiàn)了CAD/CAE/CAM等各模塊之間的無數(shù)據(jù)交換的自由切換，可實施并行工程。 (2) 采用復合建模技術，可將實體建模、曲面建模、線框建模、顯示幾何建模與參數(shù)化建模融為一體。 (3) 用基于特征（如孔、型膠、槽溝、倒角等）的建模和編輯方法作為實體造型基礎，形象直觀，類似于工程師傳統(tǒng)的設計辦法，并能用參數(shù)驅(qū)動。 (4) 曲面設計采用非均勻有理B樣條作基礎，可用多種方法生成復雜的曲面，特別適合于汽車外形設計、汽輪機葉片設計等復雜曲面造型。 (5) 出圖功能強，可十分方便地從三維實體模型直接生成二維工程圖。能按ISO標準和國標標注尺寸、形位公差和漢字說明等。并能直接對實體做旋轉剖、階梯剖和軸測圖挖切生成各種剖視圖，增強了繪制工程圖的實用性。 (6) 提供了界面良好的二次開發(fā)工具GRIP（GRAPHICAL INTERACTIVE PROGRAMING）和UFUNC（USER FUNCTION），并能通過高級語言接口，使UG的圖形功能與高級語言的計算功能緊密結合起來。 (7) 具有良好的用戶介面，絕大多數(shù)功能都可通過圖標實現(xiàn)；進行對象操作時，具有自動推理功能；同時，在每個操作步驟中，都有相應的提示信息，便于用戶做出正確的選擇。 4.2 驅(qū)動橋殼三維建模的過程 4.2.1 驅(qū)動橋殼的簡化 受力分析的前提下，可以對驅(qū)動橋殼的模型進行適當?shù)暮喕?。首先在UG中建立起驅(qū)動橋殼的三維模型,在建立橋殼的有限元模型時,先對驅(qū)動橋殼實體作必要簡化,對主要承載件,均保留其原結構形狀,以反映其力學特性,對非承載件進行一定程度的簡化,在本次的三維建模中將橋橋殼兩端的螺栓孔省去。 4.2.2 三維建模 (1) 驅(qū)動橋橋殼進行草圖繪制，如圖4.1所示。 圖4.1 驅(qū)動橋橋殼草圖 (2) 通過拉伸命令形成橋殼部分實體，拉伸距離為130mm。 圖4.2 部分橋殼實體 (3)進一步形成橋殼兩端，小圓柱直徑為120mm，高度為80mm；大圓柱直 徑為200mm，高度為10mm。 圖4.3 形成橋殼兩端 (4) 挖孔，大孔直徑為370mm，小孔直徑為70mm。 圖4.4 挖孔 (5)做邊倒圓過度 圖4.5 邊倒圓過度 (6)建出彈簧幾座長100mm，寬80mm，高15mm，并倒圓角形成所需的三維模型。 圖4.6 做邊倒圓模型 4.3 將模型導入ANSYS進行網(wǎng)格劃分 4.3.1 驅(qū)動橋有限元模型的建立 在有限元法中，連續(xù)體結構被看作是由有限個單元通過有限個節(jié)點連接而成的計算模型。每一個單元都相應地代表著結構某些力學性質(zhì)的局部小塊。顯然，如果每個單元所代表的力學特性與實際結構受力后這一小塊的力學特性越近似，計算出來的精確性就越高。為了得到較好的解答結果，所使用的單元應盡可能地反映出實際中各種因素對其結構力學特性的影響。這樣不僅要求每個單元與對應的實際結構之間幾何類型(即幾何的逼真性)一致，而且要求單元傳遞力和傳遞運動的力學特性(即力學特性的逼真性)相一致。 在橋殼幾何模型的基礎上，進行模型的離散化，建立有限元模型，并最終形成計算數(shù)據(jù)文件。所謂離散化，就是假想把被分析的彈性連續(xù)體分割成由有限個單元組成的幾何體，連續(xù)體的離散化又稱為網(wǎng)格劃分。離散而成的有限元集合體將代替原來的彈性連續(xù)體，所有的計算分析都將在這個計算模型上進行。因此，有限元分析的計算速度和結果準確度直接受分析模型與實際工程結構力學特性符合程度的影響[18,19]。 4.3.2 定義橋殼單元材料屬性 該驅(qū)動橋橋殼的材料為QT400-15, 彈性模量EX=2.110 MPA，泊松比PRXY=0.3，材料密度7.9103Kg/m3，許用應力[]=400 MPA。 4.3.3 有限元模型網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問題較多，需要的工作量較大，所劃分的網(wǎng)格形式對計算精度和計算規(guī)模產(chǎn)生直接影響。為了建立正確合理的有限元模型，劃分網(wǎng)格時應遵循以下基本原則： (1)網(wǎng)格數(shù)量：網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計算結果的精度和計算規(guī)模的大小。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規(guī)模也會增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時應權衡兩個因素綜合考慮。網(wǎng)格較少時增加網(wǎng)格數(shù)量可以使計算精度明顯提高，而計算時間不會有大的增加。當網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，再繼續(xù)增加網(wǎng)格時，精度提高甚微，而網(wǎng)格劃分的時間以及有限元分析計算時間卻有大幅度增加。所以應注意增加網(wǎng)格的經(jīng)濟性。實際應用時可以比較兩種網(wǎng)格劃分的計算結果。如果兩次計算結果相差較大，可以繼續(xù)增加網(wǎng)格，相反則停止細分網(wǎng)格。在決定網(wǎng)格數(shù)量時應考慮分析數(shù)據(jù)的類型。靜力分析時，如果僅僅考慮變形，網(wǎng)格數(shù)量可以少一些。如果計算應力，則在精度要求相同的情況下應取相對較多的網(wǎng)格。同樣在響應計算中，計算應力響應所取的網(wǎng)格數(shù)應比計算位移響應多。在計算結構固有動力特性時，若僅僅是計算少數(shù)低階模態(tài)，可以選擇較少的網(wǎng)格。如果計算的模態(tài)階次較高，則應選擇較多的網(wǎng)格。在熱分析中，若結構內(nèi)部的溫度梯度不大，不需要大量的內(nèi)部單元，這時可劃分較少的網(wǎng)格。 (2)網(wǎng)格疏密：網(wǎng)格疏密是指在結構不同部位采用大小不同的網(wǎng)格，這是為了適應計算數(shù)據(jù)的分布特點。在計算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位(如應力集中處)，為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。而在計算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位，為減小模型規(guī)模，則應劃分相對稀疏的網(wǎng)格，這樣整個結構便表現(xiàn)出疏密不同的網(wǎng)格劃分形式。采用疏密不同的，網(wǎng)格劃分，既可以保持計算精度，又可減少網(wǎng)格數(shù)量。因此，網(wǎng)格數(shù)量應增加到結構的關鍵部位。再次要部位增加網(wǎng)格是不必要的，也是不經(jīng)濟的。疏密不同的網(wǎng)格對于應力分析非常重要。劃分疏密不同的網(wǎng)格主要用于應力分析(包括靜應力和動應力)，而計算固有特性時，則趨于采用較均勻的網(wǎng)格形式，這是因為固有頻率和振型主要取決于結構質(zhì)量分布和剛度分布，不存在類似應力集中的現(xiàn)象，采用均勻網(wǎng)格可使結構剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大，可減小數(shù)值計算誤差。同樣，在結構溫度場計算中也趨于采用均勻網(wǎng)格。 (3)單元階次：許多單元都具有線性二次和三次等形式，其中二次或三次形式的單元稱為高階單元。選用高階單元可提高計算精度，因為高階單元的曲線或曲面邊界能夠更好地逼近結構的曲線或曲面邊界，且高次插值函數(shù)可以更高精度地逼近復雜場函數(shù)，所以當結構形狀不規(guī)則、應力分布或變形很復雜時，可以選用高階單元。但高階單元的節(jié)點數(shù)較多，在網(wǎng)格數(shù)量相同的情況下由高階單元組成的模型規(guī)模要大得多，因此在使用時應權衡考慮計算精度和時間。 (4)網(wǎng)格質(zhì)量：指網(wǎng)格幾何形狀的合理性。質(zhì)量好壞將影響計算精度。質(zhì)量太差的網(wǎng)格甚至會中止計算。劃分網(wǎng)格時網(wǎng)格質(zhì)量要達到某些指標要求。應保證劃分高質(zhì)量網(wǎng)格，即使是個別質(zhì)量很差的網(wǎng)格也會引起很大的局部誤差，而在結構次要部位，網(wǎng)格質(zhì)量可適當降低。當模型中存在質(zhì)量很差的網(wǎng)格(稱為畸形網(wǎng)格)時，計算過程將無法進行。劃分后需要檢查網(wǎng)格，避免不良網(wǎng)格造成運算終斷、程序出錯等現(xiàn)象。 (5)網(wǎng)格分界面和分界點：結構中的一些特殊界面和特殊點應分為網(wǎng)格邊界或節(jié)點以便定義材料特性、物理特性、載荷和位移約束條件，即應使網(wǎng)格形式滿足邊界條件特點，而不應讓邊界條件來適應網(wǎng)格形式。常見的特殊界面和特殊點有材料分界面、幾何尺寸突變面、分布載荷分界線、集中載荷作用點和位移約束作用點等。 (6)位移協(xié)調(diào)性：位移協(xié)調(diào)是指單元上的力和力矩能夠通過節(jié)點傳遞相鄰單元。為保證位移協(xié)調(diào)，一個單元的節(jié)點必須同時也是相鄰單元的節(jié)點，而不應是內(nèi)點或邊界點，相鄰單元的共有節(jié)點具有相同的自由度性質(zhì)。否則，單元之間須用多點約束等式或約束單元進行約束處理。 (7)網(wǎng)格布局：當結構形狀對稱時，其網(wǎng)格也應劃分對稱網(wǎng)格，以使模型表現(xiàn)出相應的對稱特性，不對稱布局會引起一定誤差[13]。 由于有限元計算是將實物模型離散化為一個個單元，單元之間通過節(jié)點連接，最終是通過施加在節(jié)點上的約束和載荷而完成的，因此我們在劃分網(wǎng)格前應充分考慮到以后添加約束和載荷位置的具體情況。針對本課題所研究的橋殼結構，需要在厚度較薄的區(qū)域、關鍵危險點的區(qū)域、截面突變易產(chǎn)生應力集中的區(qū)域以及施加約束或載荷處的區(qū)域進行較為精細的網(wǎng)格劃分，所以采用智能網(wǎng)格劃分的方法。選用單元類型為SOLID185實體單元進行網(wǎng)格劃分，它是高階三維8節(jié)點固體結構單元，每個節(jié)點具有3個沿XYZ方向的平移自由度，具有任意空間的各向異性。如下圖4.7所示： 圖4.7 網(wǎng)格劃分 72 第五章 驅(qū)動橋殼的有限元靜力分析及其優(yōu)化 5.1 靜力分析介紹 靜力分析是ANSYS產(chǎn)品家族7中結構分析類型中的一種，主要用于求解靜力載荷作用下結構的位移和應力等，它包括線性和非線性，而該設計主要研究線性計算，它是指在分析過程中結構的幾何參數(shù)和載荷參數(shù)只發(fā)生微小的變化，以至可以把其忽略。靜力分析計算在固定不變的載荷作用下結構的效應，它不