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基于ANSYS的汽车驱动桥壳的有限元分析
武汉理工大学汽车工程学院 杨波,罗金桥
2005-10-22
《CAD/CAM与制造业信息化》
有限元法是一种在工程分析中常用的解决复杂问题的近似数值分析方法，以其在机械结构强度和刚度分析方面具有较高的计算精度而得到普遍应用，特别是在材料应力、应变的线性范围更是如此。在汽车设计领域，无论是车身、车架的计算仿真，还是发动机的曲轴以及传动系统的计算均使用到该方法。
有限元分析最基本的研究方法就是“结构离散→单元分析→整体求解”的过程。经过近50年的发展，有限元法的理论日趋完善，已经开发出了一批通用和专用的有限元软件。ANSYS是当前国际上流行的有限元分析软件，广泛地应用于各行各业，是一种通用程序，可以用它进行所有行业的几乎任何类型的有限元分析，如汽车、宇航、铁路、机械和电子等行业。ANSYS软件将实体建模、系统组装、有限元前后处理、有限元求解和系统动态分析等集成一体，最大限度地满足工程设计分析的需要。通过结合ANSYS软件，能高效准确地建立分析构件的三维实体模型，自动生成有限元网格，建立相应的约束及载荷工况，并自动进行有限元求解，对模态分析计算结果进行图形显示和结果输出，对结构的动态特性作出评价。它包括结构分析、模态分析、磁场分析、热分析和多物理场分析等众多功能模块。
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。驱动桥壳应有足够的强度和刚度且质量小，并便于主减速器的拆装和调整。由于桥壳的尺寸和质量比较大，制造较困难，故其结构型式应在满足使用要求的前提下应尽可能便于制造。驱动桥壳分为整体式桥壳，分段式桥壳和组合式桥壳三类。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，因此普遍应用于各类汽车上。但是由于其形状复杂，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某型号货车上使用的整体式桥壳。
一、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1所示。
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图1 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σ和扭转切应力τ分别为：
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，；
（b为轮胎中心平面到板簧座之间的横向距离）
——牵引力或制动力（一侧车轮上的）在水平面内引起的弯矩，；
——牵引或制动时，上述危险断面所受转矩，；
——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的弯曲应力
、
之间的关系，分别为：
，以及桥壳内、外板簧座处断面
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3)当汽车通过不平路面时，危险断面的弯曲应力为：
式中k为动载荷系数。对于轿车，k取1.75；对于货车，k取2.0；对于越野车，k取2.5。 桥壳的许用弯曲应力为300MPa～500MPa，许用扭转切应力为150MPa～400MPa。可锻铸铁桥壳取较小值，钢板冲压焊接桥壳取较大值。
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。
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二、实现方法
一般来说，在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立。这一般包括几何建模、定义材料属性和实常数（要根据单元的几何特性来设置，有些单元没有实常数）、定义单元类型，网格划分、添加约束与载荷等。由于汽车零部件结构形状较为复杂，包含许多复杂曲面，而一般有限元软件所提供的几何建模工具功能相当有限，难以快速方便地对其建模。因此，针对较复杂的结构，可以先在三维CAD软件（如在UG中）建立几何模型，然后在有限元分析软件ANSYS中通过输入接口读入实体模型，最后在ANSYS中完成其分析过程。 三、有限元计算模型的建立
被分析汽车的参数为：汽车的名义装载量m1＝4.0t，满载轴荷时后桥负荷m2＝6.0t，车轮中心线至钢板弹簧座中心距离b＝370mm，两钢板弹簧座中心间的距离s＝1004mm，桥壳本身的重力G0＝931.6N，桥壳设计的安全系数为7，弹簧上表面面积5000mm2，由此可得到面载荷为5.88MPa。根据国家标准，当承受满载轴荷时，桥壳最大变形量不能超过1.5mm/m；承受2.5倍满载轴荷时，桥壳不能出现断裂和塑性变形。所以垂直方向的载荷取满载轴荷的2.5倍，即5.88×2.5＝14.78MPa。 首先在UG中建立起驱动桥壳的三维模型。在建立桥壳的有限元模型时，先对驱动桥壳实体做必要的简化。对主要承载件，均保留其原结构形状，以反映其力学特性，对非承载件进行了一定程度的简化。简化结果如图2所示。
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图2 桥壳的三维模型
然后将模型导入到ANSYS中，对其进行网格划分，划分网格时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，这样将该零件划分为60183个节点，29805个单元，如图3所示。
图3 桥壳的有限元模型
该驱动桥壳的本体材料为8mm厚的09SiVL钢板，从材料手册中查出其弹性模量E=5MPa，泊松比μ=0.3，材料密度为7850。计算桥壳的垂直静弯曲刚度和静强度的方法是：将后桥两端固定，在弹簧座处施加载荷，将桥壳两端车轮中心线处全部约束，然后在弹簧座处施加规定载荷。 四、计算结果
在有限元模型中，驱动桥壳在2.5倍满载轴荷工况下，应力及位移云图分别如图4、图5所示，最大位移为0.469E-03m，最大应力为2185MPa，出现在半轴套管约束处。在不考虑由于约束影响造成的局部过大应力的情况下，应力较大值分布在钢板弹簧座的两侧，约为240MPa，远小于材料的许用应力＝510MPa～610MPa。所以，该桥壳是符合结构强度要求的。
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基于ANSYS的汽车驱动桥壳的有限元分析
