汽车后桥设计及动态特性分析毕业设计论文.doc

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1、仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 设计题目：设计题目： 汽车后桥设计及动态特性分析 系系 别：别：_ 班班 级：级：_ 姓姓 名：名：_ 指指 导导 教教 师：师：_ 2 0 0 0 年6 月10 日 仅供参考，支持原创， 鄙视抄袭！ 04 机对本（2）班 机电工程系 汽车后桥设计及动态特性分析 摘 要 利用 Pro/E 软件, 建立了 BJ2027 皮卡车后桥三维模型,并对其进行了有限元 分析，较为详细的介绍了国内外有限元的历史和有限元的基本原理。对车桥作了 静力分析和模态分析。 对该车桥的有限元模型进行静

2、力分析，校核了车桥的强度和刚度。 采用有限元法对汽车桥壳的振动特性进行分析，通过模态分析，求得其固有 频率和振型，分析可能引起桥壳振动的固有频率，具有一定的理论意义和重要的 实用价值。 关键词关键词：后桥, 造型, 有限元法, 模态分析 The Rear Axle Modal and the Finite Element Analyze Abstract This paper creates a 3D model of rear axle of Pick-up BJ2027 in the Pro/Engineer software, the developing history and its

3、 basic theory of FEM(Finite Element Method) in this thesis. The static analysis and modal analysis researed in the thesis. The finite element model of static analysis, check the axle of the strength and stiffness. In this dissertation the Finite Element Analyze (FEA) has been used to analyze the cha

4、racteristic of the vibration of the drive axle. through the Modal Analysis, get the inherent frequency and the vibration mode of the rear axle. Analyzing the inherent frequency that may be lead to the resonance. It provides the important basis of soling the vibration of the car and has some theoreti

5、cal significance and important practical value. Key words:rear axle, model, the Finite Element Method, Modal Analysis 目 录 1 引言 1 2 绪论 .2 2.1 我国汽车工业发展.2 2.2 建模及软件介绍.3 2.2.1 Pro/ENGINEER 介绍 3 2.2.2 ANSYS 介绍 .4 2.3 论文研究的内容.5 3 车桥的设计及三维建模 .6 3.1 车桥的参数化设计.6 3.1.1 特征概念.6 3.2 车桥的作用和要求.6 3.3 车桥设计方法.7 3.4 车桥

6、的三维建模.9 3.4.1 典型零件造型.9 4 车桥有限元模型的建立 15 4.1 有限元法概述15 4.2 有限元法原理.15 4.3 车桥有限元模型的建立16 4.3.1 有限元模型16 4.3.2 有限元网格划分18 5 车桥的静力分析 21 5.1 车桥结构的整体分析21 5.2 车桥的受力分析22 5.2.1 车桥的受载分析22 5.2.2 约束和载荷的施加22 5.2.3 边界约束条件的确定23 5.3 车桥的静力分析23 5.4 车桥裂纹产生的原因30 5.5 车桥的强度和刚度的改进措施30 6车桥的模态分析32 6.1 车桥结构振动的基本方程33 6.2 车桥的模态分析34

7、6.2.1 模型的建立34 6.2.2 车桥的模态计算结果35 6.2.3 车桥的模态分析38 结论 .40 谢辞 .41 参考文献 .42 外文资料 .44 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 1 1 引言 在当前的工程技术领域中，由越来越多的复杂结构，包括其复杂的几何形状、 复杂的载荷、复杂的支承约束等，需要去研究、去分析。汽车作为工程领域的一 个分支，面临同样的问题和困难。汽车的结构非常复杂，包括其复杂的形状，复 杂的载荷作用。在实际汽车结构设计中，安全性是首要的，在保证安全的前提下， 又要使车桥的结构合

8、理，便于加工、装配；同时也要减少材料的量，从而降低制 造成本，提高经济效益，提高汽车的燃油经济性和动力性。这需要对车桥的强度 进行分析，通过强度分析，又针对地对一些主要构件进行结构优化设计。 在实际的汽车结构强度计算中，由于结构的复杂性，载荷分布的复杂性以至 于很少有甚至没有解析解，但仍然需要去分析、研究、解决。解决这些困难有很 多方法，一般归结为两类：一种是复杂的问题作种种简化，作很多假设，回避一 些比较复杂的问题，最终简化为一个能够处理的问题。这种方法有时可行，但是 由于太多的简化，通常导致极不准确甚至错误的答案。另一种方法是尽可能保留 问题的各种实际状况，尝试寻求问题近似的数值解，放弃封

9、闭形式的解析解。在 计算机和计算技术飞速发展的今天，这已成为较为现实又非常有效的选择。有限 元法便是这众多方法中最为成功、最为广泛的方法。 本文通过有限元法对驱动桥壳结构进行性能分析，在设计时考虑驱动桥壳结 构的优化，对提高整车的各种性能，降低设计与制造成本，增强市场竞争力等都 具有十分重要的意义。大型通用有限元软件 ANSYS 凭借其强大的分析功能和高度 可靠性，在结构静力分析和动力分析以及优化设计等方面具有无可比拟的优越性。 运用 ANSYS 进行驱动桥壳结构的有限元分析与优化能够大大提高工作效率。 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄

10、袭！ 毕毕 业业 设设 计计 2 2 绪论 2.1 我国汽车工业发展 （1）中国汽车工业发展进程和战略地位 汽车是重要的运输工具，是科学技术发展水平的标志。汽车工业是资金密集、 技术密集、人才密集、综合性强、经济效益高的产业。世界各个工业发达国家几 乎无一例外地把汽车工业作为国民经济的支柱产业。汽车的研制、生产、销售、 营运，与国民经济许多部门都息息相关，对社会经济建设和科学技术发展起重要 推动作用。中国的汽车工业随着中国经济的不断快速发展，在中国经济发展中的 地位越来越突出，汽车工业也将逐渐成为中国的支柱产业，并对中国经济的发展 和社会的进步产生巨大的作用和深远的影响。1956 年，在新中国

11、初期建成的中国 第一汽车制造厂，生产出了第一台解放牌汽车，以此宣告了中国不能生产汽车的 历史，在1958 年该厂又制造了我国第一辆轿车东风牌轿车，接着又开始小 批量生产红旗CA770 高级轿车。从此开始了中国自己生产汽车，生产自已的汽车 的崭新时代。50 年代后期和60 年代，在一汽逐步扩大生产的同时，我国各地一 批汽车修配企业相继改建成汽车制造厂，此外，城建和交通部门等也设立了一批 公共交通车辆厂，使我国汽车的品种和产量进一步发展。几十年过去了，中国汽 车工业经历了一次一次探索，在成功和失败中逐渐发展起来，尤其是改革开放以 来，中国汽车工业迅速崛起，形成了前所未有的发展态势。例如，仅从199

12、0 年到 1997 年间，中国汽车工业总产值从459亿元提高到2492亿元，增长了4.4倍。同期 汽车产量从50.9 万辆增加到158.3 万辆，增长2.1倍，增长速度名列世界前茅。 然而，从汽车工业的总体状况分析，中国汽车工业由于底子薄，起步晚等多种因 素仍处于落后状态27。 （2）中国汽车市场形成及发展变化 20 世纪50 年代以来，中国汽车市场形成和发展可分为两个时期。第一时期， 改革开放以前时期（1950-1978年）。在这一时期，销售产品单一，主要是中型载 货汽车，销售对象也单一，基本上由单位以公款购买。市场处于封闭状态，规模 较小，增长缓慢。到1978 年，销售的汽车才达到17(万

13、辆，平均每年仅增加5000 辆汽车。第二时期，改革开放以后时期（1979 年以来）这一时期汽车市场发生了 很大变化，其一、汽车市场规模不断扩大。1978 年到1998 年汽车销售量从17 万 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 3 辆增加到160万辆，20年间增长8.4 倍。其二、销售汽车品种不断增多。为了适应 不同用户多种用途的需求，汽车市场销售的汽车品种越来越多。不仅有中型载货 车，也有重型、轻型、微型载货车，有大型、中型、小型客车，有各种排量等级 的轿车，有各种改装车、特种车、越野汽车等。车型品种达万种，

14、从而改变了过 去车型品种单一的状况。其三、私人购车比重迅速增长。私人购车是从80年代中 期开始的，发展速度之快是人们始料不及的。私人购车量占总销量1985年为 15.3%；1998年为65.2%。其四、轿车所占比重逐步提高。近十年来，随着轿车进 入家庭，轿车销量占汽车总销量的比重逐年提高，1991年占14.1%；1998年占 32%。其五、进口车的影响显著下降。在相当长的时期内，中国所需轿车主要依靠 进口，随着中国轿车工业的发展，进口轿车所占比例逐步下降， 1995年占95%； 1998年占3.4%。 （3）中国汽车工业发展的模式 中国汽车工业在改革开放以后，其发展模式从改革开放前的内封闭型转

15、为开 放型，加强了与国外汽车公司的合作和交流，广泛引进了国外的先进技术。此外， 改革开放后，共同经营型模式得到发展，建立了一系列共同经营模式的合资汽车 企业。特别是轿车企业基本上是按共同经营模式建立起来的。 首先要从中国汽车工业的长期发展目标出发。也就是说，发展模式要符合汽 车工业要成为国民经济的支柱产业这一战略目标。其次，要把握好中国发展汽车 工业的能力和条件。虽然，目前中国汽车工业发展还很落后，但是，中国具有很 强的发展汽车工业的综合能力，具有广阔的国内市场。再次，要正确对待世界汽 车工业国际化的发展要求。中国要抓住国际化的机遇，积极参与国际合作和竞争， 缩小与世界先进水平的差距。总之，中

16、国汽车不能全盘模仿美国、日本等国的发 展模式，要根据中国国情和发展汽车工业的要求，坚持以自主开放模式为主导， 同时，积极发展共同经营模式和外资主导模式，把自主开放型与共同经营型模式、 外资主导型模式有机的结合起来，共同实现中国汽车工业长期目标，建立强大的 中国汽车工业27。 2.2 建模及软件介绍 2.2.1 Pro/ENGINEER 介绍 Pro/ENGINEER 是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，PTC）开发的 CAD/CAE/CAM 软件。该软件一方面由于具有强大的参 数化特征造型功能而受到了业界的一致认同和广泛应用，但一方面由于操作

17、的复 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 4 杂也给用户学习和掌握软件的功能带来的很大的困难。为了解决软件的易用性等 问题，PTC 公司花了 3 年多的时间来研发全新的 Pro/ENGINEER 产品。 与以前的版本相比，Pro/ENGINEER Wildfire 版的最大特点主要体现在两个方 面：界面的变化和功能的更新。界面的变化大大提高了系统的可用性和易用性， 简化了使用菜单管理器菜单的数量和菜单的层次，减少了鼠标单击次数，使设计 更加轻松和容易。功能的更新大大强化和增加了新的功能，如行为建模、热传导 分析

18、、结果图表化工具、动画选项和钣金部件分析等。 用操控版代替菜单命令 Pro/ENGINEER Wildfire 首次采用了全新的操控版工具，大大减少了以前版本 繁琐的多层次操作过程。其中特征操作数目由过去的 76 项减少到 23 项，多数特 征的操作形式由原来的多层菜单简化为操控版中的按钮。例如，Pro/ENGINEER 2002 版以前的拉伸和切除特征，在 Pro/ENGINEER Wildfire 版中已合并为一个操 作更为方便。 （1）采用智能化的操作界面 智能化的操作界面使指令工作流程大大简化。当用户选择工作目标后，系统 会自动化提示下一步的操作。其中，直接建模、动态浏览以及上滑面板等

19、功能可 以帮用户快速准确的反映设计思路。 （2）鼠标功能进一步增强 在造型过程中支持鼠标拖动，可以用鼠标控制拉伸或旋转特征的方向和距离。 支持用鼠标中键直接旋转实体，用滚轮动态缩放视图。Ctrl 和 Shift 键与鼠标中 键的组合使用，可以实现视图的缩放、翻转和平移，改变了以前版本操作繁琐的 状况。 （3）支持 Web 服务的产品开发解决方案 Pro/ENGINEER Wildfire 具有内置的 Web 连接功能，可以使设计师与合作伙伴、 客户和供应商在产品开发过程中进行协同工作，从而缩短新产品研发周期，提高 产品设计质量。可以利用点对点（P2P）设计会议功能，完全重定义产品开发过程。 用

20、户还可以通过 Windchill Parts Link(负责管理零部件)搜索交互式产品目录， 使用 Rosetta Net 标准的多目录查询功能进行检索，并将在 Web 上所选择的零件 直接进入 Pro/ENGINEER。 (4) 提供了把 CAD 集成到 PLM 系统的必要工具和技术 Pro/ENGINEER Wildfire 提供了建立整体 PLM（产品生命周期管理）系统的功 能，现有 Pro/ENGINEER 的中、高端用户只需较少的投入来购买可选服务，便可利 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 5 用

21、Wildfire 版的优势，使用 PLM 系统。Pro/ENGINEER Wildfire 可以通过因特网 或企业内部网无缝集成 PTC 的 Wildfire 解决方案，实现广义企业中的项目合作、 全部产品数据管理和零件采购。 2.2.2 ANSYS 介绍 ANSYS 软件是融结构、流体、电磁场、声场、偶合场分析集于一体的大型通用 有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 公司开 发，它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/E、UG、I- DEAS、CADDS 及 AUTOCAD 等，是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。 ANSYS

22、公司成立于 1970 年，总部位于美国宾西法尼亚洲的匹兹堡，致力于 CAE 技术的研究和发展。ANSYS 软件的创始人是美国匹斯堡大学力学教授、著名有 限元权威 John Swanson 博士。至今，ANSYS 软件已经成功的应用于世界工业的各 个领域，ANSYS 程序是一个功能强大、应用灵活的设计分析及优化软件包，可以浮 动运行于 PC、工作站到巨型计算机的各种计算机及操作系统。 ANSYS 公司发布的 ANSYS9.0，是世界上第一个在 ANSYS Workbench 产品研发 平台上整合了电磁、计算流体动力学以及网格划分技术的软件，从而大大扩展了 工程仿真的应用领域。用户可以通过它来完成

23、 CAD 的数据读取、几何处理、网格 划分、物理环境设置、求解控制以及后处理，而不在需要在完全不同的产品中切 换和处理数据库文件。用户可以通过一个非常直接的、方便的截面完成多载荷步 加载、求解以及后处理。此外，增强功能还包括梁应力工具、ANSYS APDL 的自定 义命令行、接触建模以及用于提高用户仿真效率的其他工具。ANSYS9.0 在 Workbench 平台上开辟了整合核心技术的新天地。 2.3 论文研究的内容 车桥作为汽车的基础部件，受力状态，结构较复杂，无法用简单的数学方法 对其各部分的应力状态进行分析计算，而采用有限元分析即可对车桥的静强度、 振动模态进行较为准确的分析，从而使车桥

24、设计从经验设计进入到科学设计阶段， 本论文就是有限元分析方法在汽车车桥设计方面的具体应用，主要通过以下步骤 完成： （1） 通过 Pro/E 软件建立 BJ2027 型皮卡车车桥三维模型 （2） 车桥静力分析 （3） 模态分析 （4） 根据计算结果进行分析，提出改进意见。 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 6 3 车桥的设计及三维建模 3.1 车桥的参数化设计 传统的 CAD 系统仅能表达产品的几何信息，不能表达语意和功能信息；也不 能对整个产品外形进行抽象描述；更步容易表达产品非几何信息，如工艺信息、 精度

25、信息等。实体造型以体素为单位，将各个简单体素拼成复杂形体，设计人员 所设计的具有功能作用的形状特征，而不是几何元素（点、线、面等） ，也不是简 单体素（正方体、圆柱体等） 。这种情况下、特征技术应运而生，它起源于各种应 用对应产品信息的需求，虽然目前特征技术尚未达到成熟阶段，但从应用角度来 讲，尤其是对大型复杂结构的建模问题，特征技术更具有广阔的前景以及巨大的 优越性。 参数化又称为参数驱动，即建立图形约束和几何关系尺寸参照的对应关系， 由尺寸参数值的变化直接控制实体模型的变化。参数化设计是一种解决设计约束 问题的数学方法，它是结构形状比较定型时用的一组参数来约定尺寸的关系，然 后通过尺寸驱动

26、达到改变结构形状的目的。 3.1.1 特征概念 特征是一组包含非几何信息的集合，形状特征是信息的主要载体，是可以描 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 7 述产品形状的子形体，它不仅能表达准确其自身形状的参数信息，而且记录了特 征关系信息。每个形状特征都是整个产品形状中的局部形状，根据一个产品的结 构特点，可以把整个产品分成若干级形状的特征。 形状特征的参数化是指用参数来代替形状特征的几何尺寸，它包括独立参数 和关联参数。独立参数需要根据设计情况赋值，关联参数不需要赋值，它与独立 参数有着特定的关系。当独立参数

27、发生变化时，它的关联参数也随之发生变化。 形状特征内部和形状特征之间都存在约束。约束可以分为约束类型、基准元素和 定位尺寸，它们是使各个形状特征组成一个完整形体的关键。在建立实体模型的 时候，要防止形状特征内各线条间和形状特征之间的欠约束，前者就可能造成形 状特征的变形，后者会使形状特征之间的错位。形状特征间的约束可以是一个约 束，也可以是多重约束，它们可用关系树来表示。当约束的基准特征发生改变时， 与之关联的特征也会发生变化。因此，在确定约束关系时要从全局考虑，仔细研 究特征间的定位尺寸是否已采用关联参数；否则当某一个参数发生变化时，很可 能会使整个模型发生意想不到的变化甚至是模型变形。 3

28、.2 车桥的作用和要求 汽车驱动桥壳是汽车上的主要承载构件之一，其作用主要有：支撑并保护主 减速器、差速器和半轴等，使左右驱动车轮的轴向相对位置固定；同从动桥一起 支撑车架及其上的各总成质量；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等。 驱动桥壳分为整体式桥壳，可分式桥壳和组合式桥壳三类。 可分式桥壳可分为二断可分式和三段可分式两种。这种桥壳结构简单，铸件 外形尺寸小使铸造容易，也易于加工，而对主减速器的装配、调整及维修却都不 方便。三段可分式的制造工艺较简单，但整个桥壳装起来后的刚度及强度均较差。 整体式桥壳具有较大的强度和刚度，且便于主减速器的装配、调整和维修， 因

29、此普遍应用于各类汽车上。这种桥壳的特点式桥壳与主减速器壳分作两体。整 体式桥壳按其制造工艺的不同又可分为铸造整体式、钢板冲压焊接式和钢管扩张 成形式三种。 组合式桥壳又称为支架式桥壳。组合式桥壳对加工精度也要求较高，整个桥 壳的刚度也比整体式要差。 驱动桥壳应有足够的强度和刚度，质量小，并便于主减速器的拆装和调整。 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 8 由于桥壳的尺寸和质量比较大，制造较困难，故其结构型式在满足使用要求的前 提下，要尽可能便于制造15。 综上所述，本文选用的是整体式桥壳。 3.3 车桥设计方法

30、 由于桥壳形状复杂，因此应力计算比较困难。根据汽车设计理论，驱动桥壳 的常规设计方法是将桥壳看成一个简支梁并校核几种典型计算工况下某些特定断 面的最大应力值，然后考虑一个安全系数来确定工作应力，这种设计方法有很多 局限性。因此近年来，许多研究人员利用有限元方法对驱动桥壳进行了计算和分 析。本文中所研究的对象是在 BJ2027 型号皮卡货车上使用的整体式桥壳。 （1）驱动桥壳强度分析计算： 可将桥壳视为一空心横梁，两端经轮毂轴承支撑于车轮上，在钢板弹簧座处 桥壳承受汽车的簧上载荷，而沿左右轮胎中心线，地面给轮胎以反力（双胎时则 沿双胎中心），桥壳承受此力与车轮重力之差，受力如图 3-1 所示。

31、图图 3-13-1 驱动桥壳的受力简图驱动桥壳的受力简图 桥壳强度计算可简化成三种典型的工况，只要在这三种载荷计算工况下桥壳 的强度得到保证，就认为该桥壳在汽车行驶条件下是可靠的。 1)牵引力或制动力最大时，桥壳钢板弹簧座处危险断面的弯曲应力 和扭转 切应力 分别为： ； vh vh MM WW T T T W 式中： 地面对车轮垂直反力在桥壳板簧座处断面引起的垂直平面的弯矩， v M 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 9 ；（b 为轮胎中心平面到板簧座之间的横向距离） 22 /2 v Mm G b 牵引力或

32、制动力（一侧车轮上的）在水平面内引起的弯矩， h M ； 2hx MF b 牵引或制动时，上述危险断面所受转矩，； T T 2Txr TF r 分别为危险断面垂直平面和水平面弯曲的抗弯截面系数及抗 vhT WWW、 扭截面系数，之间的关系如表 1 所示。 2)当侧向力最大时，外轮和内轮上的垂直反力和以及桥壳内、外板簧 2 ,2z oz i FF 座处断面的弯曲应力、之间的关系，分别为： i o ； 221z iz ir i v F bFr W 221z oz or o v FbFr W 3)当汽车通过不平路面时，危险断面的弯曲应力为： 2 2 v kG b W 式中 k 为动载荷系数。对于轿车

33、，k 取 1.75；对于货车，k 取 2.0；对于越野 车，k 取 2.5。 上述桥壳强度的传统计算方法，只能算出某一断面的应力平均值，而不能完 全反映桥壳上应力及其分布的真实情况。因此，它仅用于对桥壳强度的验算，或 用作与其他车型的桥壳强度进行比较，而不能用于计算桥壳上某点（例如应力集 中点）的真实应力值。 使用有限元法对驱动桥壳进行强度分析，只要计算模型简化得当，受力约束 处理合理，就可以得到比较详细的应力与变形的分布情况，这些都是上述传统计 算方法所难以办到的15。 表 1 桥壳在钢板弹簧座附近的断面形状和截面形状 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考

34、，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 10 3.4 车桥的三维建模 桥壳是由半轴套管、壳体、加强环、镶块、壳体等组成。应先设计出各零件 图，然后使用 Pro/E 将所有的元件合并，从而完成三维造型。 3.4.1 典型零件造型 (1)半轴套管的造型 使用“文件”“新建”命令（）选择文件类型为“零件” ，子类型为 “实体” ，名称为“半轴套管” ，然后选择拉伸选型，选择参照，然后选择 Front 面为草绘平面，画出一个半径为 55mm 圆然后选择，设置长度为 29.5mm，同 理可得到其他轴。便可得到一个实体如图 3-2 所示： 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄

35、袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 11 图图 3-23-2 半轴套管半轴套管 然后选择菜单上的孔特征进行打孔并阵列，完成后得到实体如图 3-3 所示： 图图 3-33-3 半轴套管半轴套管 （2）壳体的造型 使用“文件”“新建”命令（）选择文件类型为“零件” ，子类型为 “实体” ，名称为“半轴套管” ，然后选择拉伸选型，选择参照，然后选择 Front 面为草绘平面，设置长度为 110mm。便可得到一个实体如图 3-4 所示： 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 12 图图 3-43

36、-4 壳体壳体 然后选择菜单上的孔特征进行打孔和倒圆角。进一步设计出桥壳如图 32-5 所示： 图图 3-53-5 壳体壳体 最后对壳体进行抽壳，以保证均匀壁厚 5mm，得到理想模型。如图 3-5 所示： 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 13 图图 3-63-6 壳体壳体 其它简单零部件不一一介绍了，零件造型见以下各图： 图图 3-73-7 加强坏加强坏 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 14 图图 3-83-8 镶块镶块

37、 图图 3-93-9 盖总成盖总成 桥壳三维造型如图（3-10）和（3-11）所示： 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 15 图图 3-103-10 桥壳三维模型桥壳三维模型 图图 3-113-11 桥壳三维模型桥壳三维模型 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 16 4 车桥有限元模型的建立 4.1 有限元法概述 有限元法是一种根据变分原理来求解数学、物理问题的数值计算方法，它是 近代发展起来以大型计算机为工具的现代工程强度数

38、据分析技术。众所周知，由 于一些物理问题的微分方程求解困难，以致在长期以来在弹性力学、结构力学以 及其他连续体力学方面只能解决一些严格理想化的情况，而有限元法对于分析复 杂结构或多自由度系统来说却是一种新型而且有效的方法。 国际上早 20 世纪在 50 年代末、60 年代初就投入大量的人力和物力开发具有 强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是美国国家宇航局（NASA）在 1965 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的 NASTRAN 有限元分析系统。 该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分 析系统。从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批

39、规模较小但是 灵活、价格较低的专业或通用有限元分析软件，主要有德国的 ASKA、英国的 PAFEC、法国的 SYSTUS、美国的 ABQUS、ADINA、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC 和 STARDYNE 等公司的产品。 30 多年来，有限元分析以它的高的计算精度、广阔的解算能力、简单的应用方法、 低的计算成本，成功地为各工程结构强度问题提供极为优秀的成果而深受工程界 的欢迎。有限元分析本身也在应用中迅速发展，应用领域由建筑结构、海洋工程、 航空、机械、造船到汽车工业中，特别是从 80 年代开始，随着我国计算机的快速 发展，国外先进的计算软件也开始引进我国，我国

40、的有限元分析已经进入实用阶 段，有限元法的应用已经从弹性力学平面问题扩展到了空间问题、板壳问题；从 静力平衡问题扩展到了塑性、粘性、粘塑性和复合材料问题等；从固体力学扩展 到了流体力学、传热学、电磁学、声学、振动学等连续介质领域。 实际上，有限元法发展到了今天，已发展的较为完善，它已经被认为是工程 分析中最强有力而又最通用的计算方法，其应用范围很广，并且由于实践性强而 具有强大的生命力。利用有限元法进行结构分析，实质上也是一种“计算机的数 值实验” ，它不仅使过去无法运算的课题获得数值解，而且逐渐代替某些成本高时 间长的常规试验。 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！

41、 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 17 在汽车行业中，应用有限元不但可以对汽车上结构和受力状态复杂的零部件 进行静强度分析，还可以对其振动模态、整车碰撞等进行分析25。 4.2 有限元法原理 有限元分析问题的基本思路是从结构矩阵分析推广而来的，起源于上世纪 50 年代的杆系结构矩阵分析，是把每一个杆系作为一个单元，整个结构看成是由有 限单元连接而成的集合体。分析每个单元的力学特性，再集合起来就能建立整体 结构的力学方程式，然后利用计算机求解。有限元法的基本思路是将连续的求解 区域离散为一组有限、且按某种固定方式相互连接在一起的单元的组合体。由于 单元能按不同的联结方式进

42、行组合，且单元本身又可以又不同的形状，因此可以 模型化几何形状复杂的求解域。有限元法作为数值分析方法的另一个重要特点是 利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的表示全求解域中待求的未知场函数。 单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值就成为 新的未知量（即自由度） ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由 度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元场函数的 近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加，即单元尺 寸的缩小，或是随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将 不断改变。如果单元是满足收敛要求的，最后近

43、似解将变成精确解。 在工程技术领域研究弹性连续体在载荷和其他因素作用下所产生的应力、应 变时，由于应力、应变都是未知的函数，就是说物体中各点的应力、应变一般都 是不相同的，因此可以把弹性连续体看作由有限个微单元组成，这是一个具有有 限自由度的问题。为了能够进行数值分析，有限元在处理这些问题时，首先应用 离散思想把问题简化成具有有限自由度的问题，然后借助结构矩阵分析的方法进 行处理。 应用有限元原理进行静力分析的过程一般包括结构的离散化、单元分析、单 元综合、加入外载荷以及约束等边界条件、方程组求解以及计算其他物理量等。 由于计算机和分析软件的迅速发展，在上述分析过程中，只有结构的离散化、加 入

44、外载荷以及约束等边界条件由人工来完成，其余的步骤均由计算机软件自动完 成。 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 18 4.3 车桥有限元模型的建立 4.3.1 有限元模型 有限元模型作为原结构的离散化模型,其好坏直接关系到求解的正确性和精度,所 以建立有限元模型是整个分析过程中难度最大、技巧最多的一个环节。桥壳的实 际结构较为复杂,先采用Pro/ E 的造型软件构造几何模型,然后导入ANSYS中,经过 编辑、修改后再生成有限元模型。其流程如图4-1所示。 图 4-1 有限元模型的建立框图 几何模型是产品的设计构

45、图, 必须详尽描述产品的每一细节;而有限元实体模 型是原结构的近似模型,它只需近似反映结构的力学特性。在建立桥壳的实体模型 时即对其进行了合理简化。桥壳的实体模型包括桥壳中段、固定环及轴头等。由 于钢板弹簧座对桥壳有较大的影响, 因此钢板弹簧座也作为模型的一部分。简化 后的实体模型如图4-2所示： 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 19 图 4-2 桥壳实体模型 壳体的材料为 09SiVL-8，查机械手册得：弹性模量为Pa，泊松比为 11 2.06 10 0.3，密度为 7850，材料的屈服极限为s=5106

46、10 Mpa。 3 /kg m 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 20 图 4-2 材料特性曲线 4.3.2 有限元网格划分 网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格 数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加。所以在确定网格数 量时应权衡这两个因素综合考虑。一般情况下，在静力学分析时，如果仅仅计算 结构的变形，网格数量可以少一些，若计算应力，则在精度要求相同的情况下应 取得相对较多的网格；在计算结构固有动力特性时，若仅仅计算少阶模态，可选 择较少的网格，如果计算的模态阶次

47、较高，则应选择较多的网格26。 对机械结构进行有限元网格划分，从理论上来讲是任意的，但在实际工作中 必须考虑到现实性及经济性，因而在划分时，必须遵循下列原则： （1）所选用的单元不应使受力状态失真； （2）结构的简化应确保所需的计算精度； （3）尽可能利用对称性、复合性，从而压缩所需的计算机内存量，减少计算 时间。 从有限元理论知，用三维实体来描述车桥结构，更能反映车桥的实际情况。 有限元中，三维实体元有两种：六面体单元和四面体单元。由于六面体单元在划 分时要求结构比较规则，而对于车桥这类复杂件，对其进行六面体网格的自动划 分十分困难，目前还没有一个软件能对其进行质量理想的六面体网格自动划分。

48、 而用四面体单元分析三维结构，单元划分是很灵活的，可以逼近较复杂的几何形 状，并且各种软件的四面体网格自动划分功能已经相当成熟。 选用具有较高的刚度及计算精度的四面体10节点92号单元自由划分网格，在 ANSYS环境下运行Preprocessor/Meshing/MeshTool，将车桥一次性自动划分网格。 将该零件划分为24600个节点，19700个单元。有限元模型如图4-3所示： 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 21 图 4-3 桥壳有限元模型 网格数量的多少将影响计算结果的精度，所以在桥壳弹簧座处孔处

49、和半轴套 管的圆角处应将网格划分精密。以保证计算的精度和准确。图 4-4 和图 4-5 分别 为局部放大图： 图 4-4 弹簧座处有限元模型局部放大图 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 22 图 4-5 半轴套管有限元模型局部放大图 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕毕 业业 设设 计计 23 5 车桥的静力分析 5.1 车桥结构的整体分析 作整体分析，必需先将单元刚度矩阵组合成结构刚度矩阵，再求处作用在车 桥上各结点的载荷与位移之间的关系。 整体坐标系下的单元刚度方程扩展为 （5- ( ) ( ) e ee fK 1） 式中 、按结点顺序排列，并扩展为阶的单元 的结点力向量和 ( ) e f ( ) e n le 结点位移向量，