摘要：文章通過三維設(shè)計(jì)軟件UG對(duì)某輕型汽車的驅(qū)動(dòng)橋橋殼進(jìn)行建模，并用NXNastran有限元分析軟件對(duì)橋殼進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和模態(tài)分析，得出了零件的應(yīng)力和變形分布。通過對(duì)比不同厚度下驅(qū)動(dòng)橋殼的各階固有頻率，選出了最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)橋橋殼厚度，其計(jì)算結(jié)果為汽車驅(qū)動(dòng)橋橋殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)橋橋殼；建模；模態(tài)分析
　　1引言
　　汽車驅(qū)動(dòng)橋橋殼是汽車上的主要承載構(gòu)件之一，其應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，并在滿足使用要求的前提下應(yīng)盡可能便于制造。根據(jù)汽車設(shè)計(jì)理論，驅(qū)動(dòng)橋橋殼的常規(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)來確定工作應(yīng)力。由于這種設(shè)計(jì)方法有很多局限性，因此近年來許多研究人員利用有限元方法對(duì)驅(qū)動(dòng)橋橋殼進(jìn)行了計(jì)算和分析。
　　2有限元模型的建立
　　本次課題的研究對(duì)象是某輕型汽車的后驅(qū)動(dòng)橋橋殼。由于整體式橋殼具有強(qiáng)度和剛度大，主減速器拆裝、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，所以此次選擇整體式橋殼作為分析對(duì)象。它由鋼板沖壓焊接而成，主要結(jié)構(gòu)有橋殼本體、半軸套管、后橋蓋總成、鋼板彈簧固定座總成、減振器下支架總成、后制動(dòng)底板固定法蘭、凸緣盤等。
　　2.1三維模型的建立
　　實(shí)體建模時(shí)，盡量依照實(shí)際幾何模型建立實(shí)體模型，但根據(jù)橋殼的實(shí)際受載情況，有些細(xì)節(jié)可以在建模時(shí)省略或簡(jiǎn)化。去掉那些對(duì)分析影響不大的特征(如倒角、圓角等)和一些小孔，把橋殼中部的牙包簡(jiǎn)化為球體外形，略去連接座上的螺栓孔。而軸肩處的圓弧不能省略，因?yàn)榇颂幙赡苷�是�?yīng)力集中的地方。
　　本次設(shè)計(jì)通過UG軟件建立的驅(qū)動(dòng)橋殼模型如圖1所示：
　　
　　圖1汽車驅(qū)動(dòng)橋殼前側(cè)
　　2.2確立有限元類型及網(wǎng)格劃分
　　在UG的CAE模塊中進(jìn)行有限元分析，可以直接引用Scenario模型，并以下步驟進(jìn)行：
　　1.新建FEM與仿真部件：設(shè)置求解器為NXNastran，分析類型為結(jié)構(gòu)分析，結(jié)算方案設(shè)置成迭代求解，默認(rèn)溫度20攝氏度。
　　2.理想化模型：由于部件三維模型中的細(xì)節(jié)將影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格分布，增加網(wǎng)格的數(shù)量會(huì)使模型過于復(fù)雜。因此，去掉三維模型那些對(duì)分析影響不大的特征(如倒角、圓角等)和一些小孔。例如將直徑小于10mm的孔刪除，便于網(wǎng)格劃分。
　　3.劃分3D網(wǎng)格：采用UG/Scenarioforstructure進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時(shí)選用四面體10節(jié)點(diǎn)單元(四面體10節(jié)點(diǎn)單元具有較高的剛度及計(jì)算精度)，全局單元尺寸大小為18.3，運(yùn)用網(wǎng)格自動(dòng)劃分來建立橋殼有限元網(wǎng)格模型，部件中共有41272個(gè)節(jié)點(diǎn)，20634個(gè)單元，如圖2所示：
　　
　　圖2驅(qū)動(dòng)橋殼網(wǎng)格模型
　　4.填充材料：填充的材料為鋼(庫材料{13})，材料類型為各向同性，質(zhì)量密度為7.829e-006kg/。
　　3橋殼結(jié)構(gòu)有限元分析
　　3.1有限元分析方案
　　后橋是汽車中的重要部件，它承受著來自路面和懸架之間的各種力和力矩，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)造成嚴(yán)重的后果。因此在設(shè)計(jì)過程中必須對(duì)其應(yīng)力分布、變形等進(jìn)行計(jì)算和校核，其項(xiàng)目如下：
　　(1)后橋橋殼垂直彎曲強(qiáng)度和剛度計(jì)算；
　　(2)后橋總成模態(tài)分析，計(jì)算后橋殼總成的固有頻率及振型。
　　橋殼的相關(guān)數(shù)據(jù)：驅(qū)動(dòng)橋滿載后軸重為5.5T，簧距880mm，輪距1540mm，板簧座表面面積7000，橋殼本體材料選用09siVL-8鋼板，查看相關(guān)手冊(cè)，材料彈性模量E=5MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度=355MPa，屈服極限510-610MPa，材料密度為7850kg/。根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，垂向載荷均取為橋殼滿載負(fù)荷的2.5倍，即為9.625MPa。
　　3.2結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析
　　計(jì)算橋殼的垂直彎曲剛度和強(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6個(gè)自由度全部約束，在彈簧座處施加規(guī)定的載荷。當(dāng)承受滿載軸荷時(shí)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，橋殼最大變形量不超過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。
　　該約束在后橋兩端半軸套管處施加，為固定約束；在彈簧座上施加靜力載荷；如圖3所示：
　　
　　圖3約束與載荷的施加
　　根據(jù)建立的有限元分析模型，通過NASTRAN解算器，計(jì)算了部件在2.5倍滿載荷條件下的位移和應(yīng)力。如圖4、圖5所示：

　　圖4滿載荷條件下的位移云圖
　　
　　圖5滿載荷條件下的應(yīng)力云圖
　　其結(jié)果如下：最大位移為2.301mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在半軸套管約束處，為644.7Mpa，每米輪距的變形量為2.301mm/1.540m=1.493mm/m，小于規(guī)定的1.5mm/m。
　　從圖5可以看出，在橋殼方形截面與牙包過渡的地方，其應(yīng)力為275MPa左右，遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力。
　　綜上分析，8mm厚度的橋殼本體是完全符合橋殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的。
　　3.3驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析
　　新建解算方法solution2，解算方案類型選semodes103。
　　改變橋殼本體厚度做模態(tài)分析，固有頻率結(jié)果如表1所示。（單位：Hz）

　　表1模態(tài)分析結(jié)果
　　從上表可以看出，在厚度降低時(shí)，橋殼的低階固有頻率是在不斷地增加的，說明降低橋殼的厚度可以提高其低階固有頻率，從而提高橋殼剛度。
　　
　　圖6一階模態(tài)云圖

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