ANSYS的汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析

2013-08-09  by:廣州有限元培訓(xùn)實(shí)踐中心  來(lái)源:有限元分析培訓(xùn)中心

ANSYS的汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析

有限元分析最基本的研究方法就是“結(jié)構(gòu)離散→單元分析→整體求解”的過(guò)程。經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展,有限元法的理論日趨完善,已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一批通用和專用的有限元軟件。ANSYS是當(dāng)前國(guó)際上流行的有限元分析軟件,廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè),是一種通用程序,可以用它進(jìn)行所有行業(yè)的幾乎任何類型的有限元分析,如汽車、宇航、鐵路、機(jī)械和電子等行業(yè)。ANSYS軟件將實(shí)體建模、系統(tǒng)組裝、有限元前后處理、有限元求解和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析等集成一體,最大限度地滿足工程設(shè)計(jì)分析的需要。通過(guò)結(jié)合ANSYS軟件,能高效準(zhǔn)確地建立分析構(gòu)件的三維實(shí)體模型,自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格,建立相應(yīng)的約束及載荷工況,并自動(dòng)進(jìn)行有限元求解,對(duì)模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圖形顯示和結(jié)果輸出,對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性作出評(píng)價(jià)。它包括結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析、磁場(chǎng)分析、熱分析和多物理場(chǎng)分析等眾多功能模塊。

    汽車驅(qū)動(dòng)橋殼是汽車上的主要承載構(gòu)件之一,其作用主要有:支撐并保護(hù)主減速器、差速器和半軸等,使左右驅(qū)動(dòng)車輪的軸向相對(duì)位置固定;同從動(dòng)橋一起支撐車架及其上的各總成質(zhì)量;汽車行駛時(shí),承受由車輪傳來(lái)的路面反作用力和力矩并經(jīng)懸架傳給車架等。驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度且質(zhì)量小,并便于主減速器的拆裝和調(diào)整。由于橋殼的尺寸和質(zhì)量比較大,制造較困難,故其結(jié)構(gòu)型式應(yīng)在滿足使用要求的前提下應(yīng)盡可能便于制造。驅(qū)動(dòng)橋殼分為整體式橋殼,分段式橋殼和組合式橋殼三類。整體式橋殼具有較大的強(qiáng)度和剛度,且便于主減速器的裝配、調(diào)整和維修,因此普遍應(yīng)用于各類汽車上。但是由于其形狀復(fù)雜,因此應(yīng)力計(jì)算比較困難。根據(jù)汽車設(shè)計(jì)理論,驅(qū)動(dòng)橋殼的常規(guī)設(shè)計(jì)方法是將橋殼看成一個(gè)簡(jiǎn)支梁并校核幾種典型計(jì)算工況下某些特定斷面的最大應(yīng)力值,然后考慮一個(gè)安全系數(shù)來(lái)確定工作應(yīng)力,這種設(shè)計(jì)方法有很多局限性。因此近年來(lái),許多研究人員利用有限元方法對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行了計(jì)算和分析。本文中所研究的對(duì)象是在某型號(hào)貨車上使用的整體式橋殼。

    一、驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度分析計(jì)算
    可將橋殼視為一空心橫梁,兩端經(jīng)輪轂軸承支撐于車輪上,在鋼板彈簧座處橋殼承受汽車的簧上載荷,而沿左右輪胎中心線,地面給輪胎以反力(雙胎時(shí)則沿雙胎中心),橋殼承受此力與車輪重力之差,受力如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋殼的受力簡(jiǎn)圖

    橋殼強(qiáng)度計(jì)算可簡(jiǎn)化成三種典型的工況,只要在這三種載荷計(jì)算工況下橋殼的強(qiáng)度得到保證,就認(rèn)為該橋殼在汽車行駛條件下是可靠的。

    1)牽引力或制動(dòng)力最大時(shí),橋殼鋼板彈簧座處危險(xiǎn)斷面的彎曲應(yīng)力σ和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τ分別為:

    式中:

    ——地面對(duì)車輪垂直反力在橋殼板簧座處斷面引起的垂直平面的彎矩,;(b為輪胎中心平面到板簧座之間的橫向距離)

    ——牽引力或制動(dòng)力(一側(cè)車輪上的)在水平面內(nèi)引起的彎矩,;

    ——牽引或制動(dòng)時(shí),上述危險(xiǎn)斷面所受轉(zhuǎn)矩,;

    ——分別為危險(xiǎn)斷面垂直平面和水平面彎曲的抗彎截面系數(shù)及抗扭截面系數(shù),之間的關(guān)系如表1所示。

    2)當(dāng)側(cè)向力最大時(shí),外輪和內(nèi)輪上的垂直反力和,以及橋殼內(nèi)、外板簧座處斷面的彎曲應(yīng)力、之間的關(guān)系,分別為:

    3)當(dāng)汽車通過(guò)不平路面時(shí),危險(xiǎn)斷面的彎曲應(yīng)力為:

    式中k為動(dòng)載荷系數(shù)。對(duì)于轎車,k取1.75;對(duì)于貨車,k取2.0;對(duì)于越野車,k取2.5。

    橋殼的許用彎曲應(yīng)力為300MPa~500MPa,許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為150MPa~400MPa?？慑戣T鐵橋殼取較小值,鋼板沖壓焊接橋殼取較大值。

    上述橋殼強(qiáng)度的傳統(tǒng)計(jì)算方法,只能算出某一斷面的應(yīng)力平均值,而不能完全反映橋殼上應(yīng)力及其分布的真實(shí)情況。因此,它僅用于對(duì)橋殼強(qiáng)度的驗(yàn)算,或用作與其他車型的橋殼強(qiáng)度進(jìn)行比較,而不能用于計(jì)算橋殼上某點(diǎn)(例如應(yīng)力集中點(diǎn))的真實(shí)應(yīng)力值。使用有限元法對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行強(qiáng)度分析,只要計(jì)算模型簡(jiǎn)化得當(dāng),受力約束處理合理,就可以得到比較詳細(xì)的應(yīng)力與變形的分布情況,這些都是上述傳統(tǒng)計(jì)算方法所難以辦到的。

二、實(shí)現(xiàn)方法
    一般來(lái)說(shuō),在整個(gè)有限元求解過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)是有限元前處理模型的建立。這一般包括幾何建模、定義材料屬性和實(shí)常數(shù)(要根據(jù)單元的幾何特性來(lái)設(shè)置,有些單元沒(méi)有實(shí)常數(shù))、定義單元類型,網(wǎng)格劃分、添加約束與載荷等。由于汽車零部件結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜,包含許多復(fù)雜曲面,而一般有限元軟件所提供的幾何建模工具功能相當(dāng)有限,難以快速方便地對(duì)其建模。因此,針對(duì)較復(fù)雜的結(jié)構(gòu),可以先在三維CAD軟件(如在UG中)建立幾何模型,然后在有限元分析軟件ANSYS中通過(guò)輸入接口讀入實(shí)體模型,最后在ANSYS中完成其分析過(guò)程。

    三、有限元計(jì)算模型的建立
    被分析汽車的參數(shù)為:汽車的名義裝載量m1=4.0t,滿載軸荷時(shí)后橋負(fù)荷m2=6.0t,車輪中心線至鋼板彈簧座中心距離b=370mm,兩鋼板彈簧座中心間的距離s=1004mm,橋殼本身的重力G0=931.6N,橋殼設(shè)計(jì)的安全系數(shù)為7,彈簧上表面面積5000mm2,由此可得到面載荷為5.88MPa。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)承受滿載軸荷時(shí),橋殼最大變形量不能超過(guò)1.5mm/m;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。所以垂直方向的載荷取滿載軸荷的2.5倍,即5.88×2.5=14.78MPa。

    首先在UG中建立起驅(qū)動(dòng)橋殼的三維模型。在建立橋殼的有限元模型時(shí),先對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼實(shí)體做必要的簡(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)行了一定程度的簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 橋殼的三維模型

    然后將模型導(dǎo)入到ANSYS中,對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分網(wǎng)格時(shí)選用具有較高的剛度及計(jì)算精度的四面體10節(jié)點(diǎn)92號(hào)單元,這樣將該零件劃分為60183個(gè)節(jié)點(diǎn),29805個(gè)單元,如圖3所示。

圖3 橋殼的有限元模型

    該驅(qū)動(dòng)橋殼的本體材料為8mm厚的09SiVL鋼板,從材料手冊(cè)中查出其彈性模量E=5MPa,泊松比μ=0.3,材料密度為7850。計(jì)算橋殼的垂直靜彎曲剛度和靜強(qiáng)度的方法是:將后橋兩端固定,在彈簧座處施加載荷,將橋殼兩端車輪中心線處全部約束,然后在彈簧座處施加規(guī)定載荷。

    四、計(jì)算結(jié)果
    在有限元模型中,驅(qū)動(dòng)橋殼在2.5倍滿載軸荷工況下,應(yīng)力及位移云圖分別如圖4、圖5所示,最大位移為0.469E-03m,最大應(yīng)力為2185MPa,出現(xiàn)在半軸套管約束處。在不考慮由于約束影響造成的局部過(guò)大應(yīng)力的情況下,應(yīng)力較大值分布在鋼板彈簧座的兩側(cè),約為240MPa,遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力=510MPa~610MPa。所以,該橋殼是符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的。

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