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完整版毕业设计静力学分析
摘要
针对某微型汽车驱动桥样件在进行强捡时出现桥壳断裂的现象,以有限元的基本理论为依据,利用面向特征建模方法,建立了该驱动桥三维几何模型和有限元分析模型。
根据解算结果,该车桥在桥壳局部出现明显应力集中区域;通过改变桥壳局部结构和受力,局部应力明显降低;将改进后样件进行实际装车试验,来出现桥壳断裂现象。
本文针对驱动桥壳进行有限元分析与研究。
本文的主要内容如下:
1、简单介绍PRO/E及ANSYS软件;
2、运用PRO/E软件建立车桥三维模型;
3、用ANSYS软件生成车桥结构的有限元模型:
包括车桥PRO/E模型导入ANSYS软件,单元类型的选取,单元属性和材料属性的定义,车桥有限元网格的划分;进行静力学分析。
为有限元分析提供实践依据,并验证了有限元模型的准确性。
关键词:
有限元分析,汽车驱动桥壳,稳态分析,ANSYS
ABSTRACT
Forasamplemini-carsdriveaxlewhenthebridgeduringstrongpickupthephenomenonofbrokenshells,thebasictheoryoffiniteelementsbasedonuseoffeature-orientedmodelingmethod,athree-dimensionalgeometricmodelofthedriveaxleandfiniteelementanalysismodel.Accordingtotheresultsofcalculatingtheaxleintheaxlehousingsignificantlocalstressconcentrationregion;bychangingtheaxlehousingandforcethelocalstructure,significantlyreducedthelocalstress;theimprovedactualloadingtestsampletoaxlebreakageoccurs.
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Aimingatadrivingaxlehousingfiniteelementanalysis.Themaincontentofthisarticleisasfollows:
(1)tointroducePRO/EandANSYS;
(2)tousePRO/Esoftwareisbuiltof3Dmodeofdrivingaxlel;
(3)tosetupfiniteelementmodelofdrivingaxlegeneratedbyANSYS:
includingframemodelPRO/E,importANSYSsoftware,theselectionofframeelementtypes,defineunitattributesandmaterial,thedivisionofthefiniteelementgrid;makingtransientresponseanalysis.
KEYWORDS:
Finiteelementanalysis,Automobiledrivingaxlehousing,Steady-StateAnalysis,ANSYS
目录
摘要I
ABSTRACT1
第一章概述1
1.1课题的目的和意义1
1.2国内外研究现状2
1.2.1国外研究现状2
1.2.2国内研究现状3
1.3课题的研究内容4
1.4本章小结4
第二章Pro/E和ANSYS介绍5
2.1Pro/E的简介5
2.1.1Pro/E的优点5
2.1.2Pro/E的主要模块6
2.2ANSYS软件简介7
2.2.1ANSYS的模块7
2.2.2ANSYS的应用范围8
2.2.3ANSYS的主要特点8
2.3本章小结9
第三章驱动桥壳的三维几何建模10
3.1几何建模的简化10
3.2建模时的简化处理10
3.3半轴的建模过程11
3.4本章小结14
第四章驱动桥的稳态响应分析15
4.1驱动桥壳的导入与网格划分15
4.1.1驱动桥壳的导入15
4.1.2驱动桥壳的网格划分17
4.2驱动桥壳的稳态响应分析19
4.2.1驱动桥壳的受力分析及强度计算19
4.2.2驱动桥壳的稳态分析21
4.3本章小结22
第五章结论23
结束语24
致谢25
参考文献26
第一章概述
1.1课题的目的和意义
驱动桥处于动力传动系的末端,其基本功能是增大由传动轴或变速器传来的转矩,并将动力合理的分配给左、右驱动轮,另外还承受作用于路面和车架或车身之间的垂直立、纵向力和横向力。
驱动桥一般由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳等组成。
汽车驱动桥壳是汽车上的主要承载构件之一,作用是支承并保护主减速器,差速器和半轴等,使左右驱动车轮的轴向相对位置固定;同从动桥一起支承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。
驱动桥壳应有足够的强度和刚度且质量小,且便于主减速器的拆装和调整。
因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。
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将桥壳看成一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,再考虑一个安全系数来确定许用的工作应力。
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。
本文所研究的对象是某货车上使用的整体式桥壳。
利用ANSYS软件对驱动桥壳进行静力学受力分析,得出来的受力数据,了解桥壳的危险截面及最大受力点等,能为汽车企业在开发产品时改善设计,提供受力情况参考依据。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
汽车驱动桥已经经过好多年的发展了,现有的产品比较笨重没有什么技术含量,大多用在卡车大客车上,这种产品从诞生到现在基本没有多大的更新。
所以,如果还是生产老式产品的话,会陷入同质化竟争难以取得好的效益,如果要在这外行业有所发展的话一定要有自己创新。
开发出轻巧坚固的桥,另外老式的车桥一能更好地与地面保持平行,所以在路面不平时轮胎的抓地能力很差,现在的轿车大都淘汰了这种桥,而采用性能更优越的多连杆整车桥。
近年来,随着计算机软硬件技术的不断发展,计算机辅助分析(CAE)技术得到了长足的发展。
计算机硬件技术的提升使运算速度加快,以往耗时几个小时甚至几天的运算时间得到了大大的缩短。
同时软件更新的速度也在加快,目前广泛使用的CAE分析软件有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS、Hyperworks等。
这都有利于驱动桥的设计及开发新的产品。
这些软件有如下特点:
1.与CAD软件的无缝连接
即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后,能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算,从而极大地提高了设计水平和效率。
2.更为强大的网格处理能力
结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否,近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入,使网格生成的质量和效率都有了很大的提高。
但在有些方面却一直没有得到改进,如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分,除了个别商业软件做得较好外,大多数分析软件仍然没有此功能。
3.由求解线性问题发展到求解非线性问题
随着科学技术的发展,线性理论已经远远不能满足设计的要求,许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决,必须进行非线性分析求解。
4.由单一结构场求解发展到祸合场问题的求解
有限元分析方法最早应用于航空航天领域,主要用来求解线性结构问题,实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。
现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件己经比较成熟,发展方向是结构非线性、流体动力学和祸合场问题的求解。
5.程序面向用户的开放性
随着商业化的提高,各软件开发商为了扩大自己的市场份额,满足用户的需求,在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资,但由于用户的要求千差万别,不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求,因此必须给用户一个开放的环境,允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充。
1.2.2国内研究现状
国内重型车桥生产企业主要集中在山汽改、东风车桥、济南桥箱厂、陕西汉德车桥、重庆红岩和安凯车桥等几家企业,这些企业几乎占到国内重卡车桥90%以上的市场。
陕汽汉德车桥凭借斯太尔驱动桥、MAN技术单级桥两大技术平台优势,保持国内车桥产销的头把交椅。
国内车桥市场拥有巨大的潜力,特殊的市场环境对车桥也有着更为苛刻的要求,国内严重的超载现象,对车桥的承载能力和输出扭矩均提出了更高的要求。
但国内车桥的质量与国际水平仍存在较大的差距,热处理等工艺技术落后,核心技术及核心总成仍依赖从国外引进。
车桥发展方向:
车桥作为卡车的核心总成,其重要性受到越来越多的关注,科技的迅猛发展也将带领车桥朝着以下几个方向发展:
(1)专业化车桥行业将按车辆的使用条件逐步完善产品型谱分类,针对每一个细分市场提供特定的产品;
(2)轻量化随着计重收费和燃油税政策的推出,轻量化成为卡车发展的大趋势,车桥也将采用更多新型材料,结构设计得以优化。
(3)高效率制造高机械效率的车桥将成为各企业的目标,如德纳公司的双速车桥,可提供两种速比,满载时采用大速比可加大转矩,空载时采用小速比可省油;
(4)盘式制动器的广泛应用盘式制动器散热好、质量轻,欧美地区的货车已经广泛应用盘式制动器;
(5)电子系统辅助制动技术的广泛应用国内客车已广泛应用的ABS系统将逐步推广到货车行业中,ESP、EBD等乘用车技术也将逐渐得到应用。
国内运输业的发展带动了车桥市场的迅猛发展,成了国内外厂商必争之地,但由于国内的设计和制造水平与国际水平差距较大,要赶上国际先进水平,国内厂商还有很长的一段路要走。
1.3课题的研究内容
本文以驱动桥壳为研究对象,应用有ANSYS软件进行静力学有限元分析,研究其受力情况,为其结构的进一步优化及抗疲劳设计提供理论基础,并为产品以后的开发提供参考。
基于此目标,本课题的主要研究内容如下:
第二章:
简单介绍Pro/E及ANSYS软件;
第三章:
以驱动桥壳为研究对象,进行必要的简化,使用Pro/E建立其三维模型;
第四章:
将三维模型导入ANSYS并对车桥进行某一路况下的静态响应分析,研究其在受持续力的情况下,驱动桥壳的应力分布情况。
1.4本章小结
本章主要介绍了本课题研究的意义,即为驱动桥的设计提供理论依据;同时介绍了国内外驱动桥的发展情况;并且对本课题的主要研究内容做了简单介绍。
第二章Pro/E和ANSYS介绍
2.1Pro/E的简介
proe是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称。
Proe(Pro/Engineer操作软件)是美国参数技术公司(ParametricTechnologyCorporation,简称PTC)的重要产品。
是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件,在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位,并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广,是现今最成功的CAD/CAM软件之一。
2.1.1Pro/E的优点
经过20多年不断的创新和完善,por/e现在已经是三维建模软件领域的领头羊之一,它具有如下特点和优势:
参数化设计和特征功能:
Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统,工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型,如腔、壳、倒角及圆角,您可以随意勾画草图,轻易改变模型。
这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。
单一数据库:
Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上,不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。
所谓单一数据库,就是工程中的资料全部来自一个库,使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作,不管他是哪一个部门的。
换言之,在整个设计过程的任何 一处发生改动,亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。
例如,一旦工程详图有改变,NC(数控)工具路径也会自动更新;组装工程图如有任何变动,也完全同样反应在整个三维模型上。
这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合,使得一件产品的设计结合起来。
这一优点,使得设计更优化,成品质量更高,产品能更好地推向市场,价格也更便宜。
全相关性:
Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。
这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改,能够扩展到整个设计中,同时自动更新所有的工程文档,包括装配体、设计图纸,以及制造数据。
全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改,却没有任何损失,并使并行工程成为可能,所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。
基于特征的参数化造型:
Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。
这些特征是一些普通的机械对象,并且可以按预先设置很容易的进行修改。
例如:
设计特征有弧、圆角、倒角等等,它们对工程人员来说是很熟悉的,因而易于使用。
装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。
通过给这些特征设置参数(不但包括几何尺寸,还包括非几何属性),然后修改参数很容易的进行多次设计叠代,实现产品开发。
数据管理:
加速投放市场,需要在较短的时间内开发更多的产品。
为了实现这种效率,必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。
数据管理模块的开发研制,正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作,由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能,因而使之成为可能。
装配管理:
Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令,例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来,同时保持设计意图。
高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理,这些装配体中零件的数量不受限制。
易于使用:
菜单以直观的方式联级出现,提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项,同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助,这种形式使得容易学习和使用。
2.1.2Pro/E的主要模块
Pro/E由6个主要模块组成,分别是:
工业设计(CAID)模块;
机械设计(CAD)模块;
功能仿真(CAE)模块;
制造(CAM)模块;
数据管理(PDM)模块;
数据交换(DataTranslator)模块。
2.2ANSYS软件简介
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析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开发。
它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换,如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I-DEAS,AutoCAD等,是现代产品设计中的高级CAD工具之一。
软件主要包括三个部分:
前处理模块,分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
软件提供了100种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。
该软件有多种不同版本,可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上,如PC,SGI,HP,SUN,DEC,IBM,CRAY等。
2.2.1ANSYS的模块
ANSYS软件主要包括三个模块:
前处理模块,分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
软件提供了100种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。
2.2.2ANSYS的应用范围
ANSYS软件是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件,经过三十年的发展,已形成融结构、热、流体、电磁、声学及多物理场耦合为一体的大型通用有限元分析软件,广泛应用于航空航天、石油、化工、汽车、造船、铁道、电子、机械制造、地矿能源、水利、核能、生物、医学、土木工程、轻工、一般工业及科学研究等各个领域,其极强的分析功能覆盖了几乎所有的工程问题。
作为世界最具权威的有限元产品和工业化分析标准,目前几乎所有的CAD/CAE/CAM软件都竞相开发了与ANSYS的专用接口,实现数据的共享和交换,如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS及AutoCAD等。
ANSYS软件在Linux和Windows下均有版本,并同时有32位和64位版本,目前最新的版本为12.0。
2.2.3ANSYS的主要特点
ANSYS在有限元分析软件中具有领先地位,主要是因为它具有下列特点:
1.唯一能够实现多场及多场耦合分析功能的软件,可以进行结构、热、流体流动、电磁等的单独研究或者它们之间相互影响的研究。
2.唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型有限元分析软件。
3.唯一具有多物理场优化功能的有限元分析软件。
4.有强大的非线性分析功能。
5.多种求解器分别适用于不同问题及不同的硬件配置。
6.支持从微机、工作站到巨型机,以及所有平台之间的并行计算。
7.支持异种、异构平台的网络浮动,在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容。
8.多种自动网格划分技术。
9.可与大多数CAD软件集成并有接口。
10.良好的用户开发环境,综合应用菜单、对话框、工具条、命令行输入,图形化输出等多种方式,使应用更加方便。
2.3本章小结
在本章中,主要介绍了pro/e软件和ANSYS软件的一些特点和使用方法,读者能对pro/e画图软件及ANSYS受力分析软件有更好的了解。
第三章驱动桥壳的三维几何建模
3.1几何建模的简化
有限元模型是在几何模型基础上建立的,因此,建立几何模型时,既要考虑几何模型建立的特点,也要考虑有限元模型建立的特点。
建立有限元模型,既要如实地反映实际结构的重要力学特性,又要尽量采用较少的单元和简单的单元形态,以保证较高的计算精度,同时缩小计算规模。
为了满足这两个要求,在建立几何模型前,就需要考虑实际结构该怎么简化。
使用Pro/E建立几何模型,对结构进行简化的思路是:
1、尽可能使建模简化
因为结构越复杂,划分网格时模拟结构需要的单元就越多,分析时占用的资源也就越多。
建立几何模型,可以将结构中的圆角简化成直角,既有利于简化建模,也有利于有限元模型建立过程中的网格划分。
2、忽略细节特征
在建立几何模型时,对整体结构应力分布只产生较小局部影响的特征,如倒角和小孔等都可以忽略。
因为网格划分过程中,诸如倒角和小孔等特征需要很多单元才能模拟。
3.2建模时的简化处理
本节汽车驱动桥为对象,应用Pro/EWildfire版建立该驱动桥的几何模型。
建立几何模型时,根据车桥结构和工作特点,和为了可以成功导入ANSYS软件,对车桥结构进行了如下简化:
1、壳内部的半轴、差速齿轮与后桥壳之间的摩擦力小,对桥壳性能影响很小,摩擦力可忽略。
因此,建模时不考虑内部的半轴、差速齿轮结构;
2、车桥结构中的圆角简化成直角,既有利于简化建模,也有利于有限元模型建立过程中提取中截面,便于采用实体单元进行网格划分;
3、避免计算资源的浪费,提高网格质量,对一些基本不影响分析结果精度的小孔和凸台,如输油孔、螺栓孔等,建模时忽略;
4、速器与桥壳采用螺栓连接,约束效果与固接近似;
5、忽略工艺结构;
3.3半轴的建模过程
在对驱动桥进行了必要的简化之后,在Pro/E中开始建立车桥的三维模型,开始是根据图纸尺寸,在草绘界面中画出半轴的截面图,如图3-1所示:
图3-1草图半轴初步模型
在初步模型的基础上,通过旋转命令,做出半轴的三维图,如图3-2所示:
图3-2半轴三维图
接下来又回到草绘界面,画驱动桥壳体,先画出桥壳的实体图,如图3-3到3-5所示:
图3-3草绘的桥壳实体
在Pro/e里,通过拉伸命令,将桥壳实体化。
图3-4拉伸桥壳实体化
通过两次镜像命令,将桥壳缺失的部分,镜像出来。
图3-5桥壳的镜像
现在已经得到了右半边的实体图,再用一次镜像画出左半边图像。
驱动桥壳内要安装主减速器及差速器等零件,所以要打成空心状态,如图3-6所示:
图3-6打空的桥壳
最后再将驱动桥的内腔打空,如图3-7所示:
图3-7打通驱动桥壳内腔
存在的问题是在导入时容易发生数据丢失现象。
此外,我在绘图过程中,发现了两个需要注意的事项:
1、在Pro/E建模中要合理使用参照和基准面,这样是设计过程更加快捷、高效。
2、为了使建模时有一个清晰的思路,最好在建模之前先对模型如何建立有一个大致的思路。
模型的那一
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