基于ansys的主减壳体分析

目 录

1 绪论 ................................................................................................................................ 3

1.1课题研究背景 ....................................................................................................... 3 1.2 国内外汽车研究现状与发展趋势 ...................................................................... 3

1.2.1国外汽车的发展 ......................................................................................... 3 1.2.2国内汽车的发展 ......................................................................................... 4 1.3 本论文研究的主要内容与技术方案 .................................................................. 5 1.4驱动桥的结构组成 ............................................................................................... 5

1.4.1功用 ............................................................................................................. 5 1.4.2组成 ............................................................................................................. 6 1.4.3驱动桥的类型 ............................................................................................. 7 1.5主减速器 ............................................................................................................... 9

1.5.1功用 ............................................................................................................. 9 1.5.2类型 ............................................................................................................. 9 1.5.3主减速器的构造与工作原理 ..................................................................... 9 1.6驱动桥壳 ............................................................................................................. 11

1.6.1功用 ........................................................................................................... 11 1.6.2分类 ........................................................................................................... 12 1.7金杯SY6474的相关基本参数 .......................................................................... 12 1.8有限元法基本原理 ............................................................................................. 13

1.8.1有限元法基本思想 ................................................................................... 13 1.8.2有限元分析问题的基本步骤 ................................................................... 13 1.8.3有限元网格划分方法与基本原理 ........................................................... 14 1.8.4有限元法的优点 ....................................................................................... 17 1.9计算机软件的选择 ............................................................................................. 17

1.9.1ANSYS软件简介 ...................................................................................... 17 1.9.2PRO/E软件简介 ........................................................................................ 18

2 汽车主减速器壳的建模 .............................................................................................. 20

2.1主减速器壳的结构特点 ..................................................................................... 20 2.2利用PRO/E实现主减速器壳的三维建模 ........................................................ 20

2.2.1 生成底部造型 .......................................................................................... 20 2.2.2生成顶部造型 ........................................................................................... 21 2.2.3处理内部细节 ........................................................................................... 24

2.2.4完成主减速器壳的三维造型 ................................................................... 25 2.3PRO/E文件导入ANSYS .................................................................................... 26 3汽车主减速器壳的静力分析 ....................................................................................... 27

3.1结构静力学分析概述 ......................................................................................... 27 3.2主减速器壳的静力分析 ..................................................................................... 27

3.2.1模型参数 ................................................................................................... 27 3.2.2网格划分 ................................................................................................... 27 3.2.3约束和载荷 ............................................................................................... 30 3.2.4主减速器壳静力分析结果评价 ............................................................... 31

4主减速器壳的模态分析 ............................................................................................... 37

4.1模态分析的概述 ................................................................................................. 37 4.2主减速器壳的模态分析 ..................................................................................... 37

4.2.1模型参数 ................................................................................................... 37 4.2.2网格划分 ................................................................................................... 37 4.2.3约束 ........................................................................................................... 38 4.2.4汽车主减速器壳的模态分析结果评价 ................................................... 39 4.3改进方案 ............................................................................................................. 42 5 结论 .............................................................................................................................. 46 谢辞 .................................................................................................. 错误！未定义书签。 参考文献 .......................................................................................... 错误！未定义书签。 外文资料 .......................................................................................... 错误！未定义书签。

1 绪论

1.1课题研究背景

自从世界上诞生第一辆汽车以来，经过一百多年的发展，汽车已经成为人类文明史上科技进步的一大标志。改革开放以来，特别是近几年我国汽车工业发展势头强劲。目前已经成为世界第三大汽车生产国和汽车消费国，尽管如此，与国际汽车产业先进水平相比，中国汽车产业所具备的竞争力尚不够全面，中国汽车产业与世界汽车强国在若干指标上有较大差距。随着入世以后各种保护性措施的取消，中国汽车产业会面临严峻的考验和挑战。中国要成为真正的世界汽车强国关键是要充分发挥制造业和汽车工业的规模优势；努力增强产品自主开发能力和技术创新能力；形成自己的技术特色和车型特色。

主减速器（或叫主传动）是汽车驱动桥的重要组成部分，主要由主动螺旋伞齿轮组件、主减速器壳体（也有的叫托架）组件、差速器组件和从动螺旋伞齿轮组件等零部件组成，其主要功能是降低传动系的转速、增大传动系的转矩并改变转矩的方向，把纵置发动机的转矩传递到横置的两根驱动桥的半轴上。其中，主减速器壳体组件为汽车底盘重要零件之一，主要对差速器组件及主、从动螺旋伞齿轮组件起定位和支承作用。在汽车行驶的过程当中，主减速器壳主要承受轴承传递的径向和轴向力，是一个结构和受力复杂的组件。它不仅要求有足够的强度和刚度，而且壳体的结构特性对汽车的安全性影响很大。日本、欧洲等发达国家在汽车主减速器壳的开发中普遍采用有限元分析、虚拟实验、动态测试等现代设计分析技术，设计制造的汽车在性能稳定性、可靠性方面有明显优势。而我国主减速器壳的开发技术还是个空白，各个汽车企业只有仿造和局部修改，不具备开发能力和手段。对主减速器壳的结构有限元分析、动态模拟仿真、动态测试都没有开展，对壳体的强度、刚度和振动特征心中无数，凭经验和感觉进行模仿修改设计，与国际水平差距很大。主减速器壳的疲劳受损和磨损成为长期困扰我国汽车制造业产品质量的瓶颈。壳体受损主要是受传动系的振动，行驶过程中路面激励产生的振动等多种因素综合影响形成，这就需要对壳体进行理论分析，实验研究及路试在线测试。

日本汽车工业也经历过从仿制到自主开发创新的过程，而成为当今世界汽车高技术的代表，我国汽车工业现处于后仿之阶段，必须尽快走向自主开发创新，通过汽车企业与高校、科研院所的紧密结合，建立多层次的产品开发体系和高水平的汽车共性技术研究、实验、开发平台。这不仅是世界汽车技术先进国家的成功经验，也是我国汽车工业走向自主创新开发的必由之路。

1.2 国内外汽车研究现状与发展趋势

1.2.1国外汽车的发展

汽车是数量最多、最普及、活动范围最广泛、运输量最大的现代化交通工具。没有哪种机械产品像汽车那样对社会产生如此广泛而深远的影响。

汽车虽然诞生在欧洲，但从20世纪初至70年代数10年间，美国汽车工业一直遥遥领先。日本汽车工业在60、70年代迅猛发展，后来者后上，先后超过意、英、法、德等老牌汽车工业国，并曾于1980-1993年期间超过美国而跃居世界第一位。

在国际汽车市场上，各生产厂家都面临巨大的竞争压力。用户对质量、舒适度和安全性都提出了高标准的要求。

这实际上就是要求设计的汽车恰如其分地适合不同的用途，并以有竞争性的成本和速度制造出来。只有这样，一个汽车厂才能在激烈的竞争中获胜。所以，当对成本问题给予应有的考虑时，也应该探索革新和采用现代化制造技术的可能性，以便使新生产出的各种型号的汽车都能达到质量标准、生产率和多品种的目标。同时，，也应满足缩短试制周期的需要。这就要求能在更短的时间内，完成全部的更为复杂的制造工艺过程。

因此，发展的重点是实现制造过程的计算机辅助工艺计划、控制和管理，并采用自动化的生产系统，以使产品质量达到高度的一致性。自动化的生产控制和质量管理系统，可提供有关制造状况的最新数据，并能直接指出制造故障的原因。

1.2.2国内汽车的发展

到2005年，我国汽车品牌总数为355个，其中自主品牌为245个，占总品牌数69%。2005年国内自主品牌汽车市场份额为62.9%，比2004年上升了3.4%，合资品牌市场份额31.7%，比2004年下降到9.4%。

总体上看，自主品牌的汽车已经占有相当的优势，特别是在载重汽车和客车方面更为明显。2005年汽车销量为575.82万辆，自主品牌销量为 362.19万辆，占总销量的62.9% 。在载货车上，自主品牌的优势在于中型载货汽车上，国际上中型载货汽车不属重要产品，产量很低，我国由于地区广阔，农村和偏远地区需求很大，所以这方面优势仍会保持发展下去。在客车上自主品牌的产销量已居绝对优势。因为客车基本上属于劳动密集型和科技型并存的产品，国际上已将客车制造转向发展中国家，所以逐步的造就了中国成为客车产量居世界第一的大国地位，而且客车的研发能力也比较好，可以说已接近于国际先进国家的水平。

但载重汽车和客车产业主要问题在于底盘的水平还比较低，和国际先进水平还有不少差距，还要一些关键零部件也是这样，这是我们努力改进的方向，特别对大的重型货车我们与国际水平差距仍较大。

我国汽车产品的品种档次、技术含量与急剧增长的产量相比不协调，且汽车企业尚未形成自主的产品开发能力。我们必须抓住机遇，努力提高产品的技术含

量，开发出具有自己特色的过硬品牌，缩小同世界先进技术水平的差距。

[2]

1.3 本论文研究的主要内容与技术方案

本课题基于有限元分析软件ANSYS和PRO/E平台，对金杯SY6474汽车主减速器壳进行有限元结构分析。技术方案流程图，如图1-1所示。具体的方案如下：

研究金杯SY6474汽车主减速器壳的相 关技术参数、模型特点， 基于有限元分析软件ANSYS和PRO/E 平台，进行有限元结构分析 ， 主减速器壳PRO/E模型

有限元分析结果评价

图1-1 技术方案流程图

（1）金杯SY6474汽车的相关技术参数，和研究主减速器壳模型特点，为分析提供相应的理论基础；

（2）存在最大静载荷时，对壳体进行静力学分析，分析结构的应力、应变和变形位移的分布规律，根据分析结果进行强度较核；

（3）利用有限元方法对主减速器壳进行模态分析，分析出它的振动特性，找出振动中危险的位置；

（4）综合以上的分析结果，对主减速器壳的结构提出相关的修改方案，以使汽车主减速器壳体的结构趋于合理达到优化的目的。

1.4驱动桥的结构组成

1.4.1功用

驱动桥由主减速器、差速器、半轴及驱动桥壳组成。

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，改变动力传递方向，并将动力合理的分配给左、右驱动轮，使汽车行驶，并允许左右驱动轮以不同的转速旋转。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。

图2-2双级主减速器 图2-3轮边减速器

·在一些减速比比较大的减速器常常采用，第一级为锥齿轮传动，第二级为圆柱斜齿轮传动。

·双级主减速器的结构特点：

1）第一级为圆锥齿轮传动，其调整装置与单级主减速器类同；

2）由于双级减速，减小了从动锥齿轮的尺寸，其背面一般不需要止推装置； 3）第二级为圆柱齿轮传动，圆柱齿轮多采用斜齿或人字齿，传动平稳； 4）双级主减速器的减速比为两对副减速比的乘积。 （3）轮边减速器

1）应用于重型载货车、越野汽车或大型客车上。

2）一般将双级主减速器中的第二级减速齿轮机构制成同样的两套，分别安装在两侧驱动车轮的近旁，称为轮边减速器。

3）特点：较大的主传动比和较大的离地间隙，半轴和差速器等零件尺寸减小；但结构较复杂，成本较高

（4）双速主减速器

1）为充分提高汽车的动力性和经济性，有些汽车装用具有两挡传动比的主减速器。

2）常见的结构形式由一对圆锥齿轮和一个行星齿轮机构组成。齿圈和从动锥齿轮连成一体，行星架则与差速器的壳体刚性地连接。

3）动力由锥齿轮副经行星齿轮机构传给差速器，最后由半轴传输给驱动轮

图2-4双速主减速器

1.6驱动桥壳

驱动桥壳是安装主减速器、差速器、半轴、轮毂和悬架的基础件，同时，它又是行驶系的主要组成件之一。

1.6.1功用

支承并保护主减速器、差速器和半轴等；与从动桥一起，支承车架及其上的各总成重量；承受各种反力及力矩，经悬架传给车架[29]。

1.6.2分类

1）整体式

·特点：强度、刚度较大，且检查、拆装和调整主减速器、差速器方便，普遍应用于各类汽车上。

2）分段式

·特点：易于铸造，加工方便，但维护不便，目前已很少使用。

图2-5整体式桥壳 图2-6分段式桥壳

1.7金杯SY6474的相关基本参数

SY6475A车用发动机为SY492Q-2型发动机，其性能参数如下： 型式：四冲程、水冷、直列、顶置气门、化油器式发动机。 燃油种类：90号汽油GB484 工作容积：2.237L

缸径及活塞行程：91mm×86mm 压缩比：8.8：1

最大功率：64kW/(4000-4500r/min) 最大扭矩：175N·m/(2800-3200r/min) 底盘及电器部分的技术参数为：

① 离合器：SY6474为单片、干式、液压操纵；

② 变速器：金杯SY6474轻型客车采用的是四速变速器，四档全同步器，四个档位的速比为3.835，2.327，1.397，1.0，倒档速比为4.251。

③传动轴：采用管状、开式、滚针轴承万向节。

④驱动桥(后桥)：主减速器为双曲线圆锥齿轮，主减速比为5.375，差速器为对称锥齿轮轮间差速器，并采用全浮式半轴。

⑤转向器：均采用循环球齿条齿扇式。

⑥悬架：前后悬架均采用纵置、半椭圆形钢板弹簧，减振器为液力双向作用筒式。

⑦制动系统：均采用带真空助力器的双回路制动系统。金杯SY6474轻型客车的前制动器为双领浮蹄、后制动器为领从浮蹄鼓式制动器。

⑧轮胎与轮辋：轮胎规格为6.50R16.8层级，轮辋规格为5.00EX16规格。轮胎气压为(343±10)kPa。

⑨电器设备：采用负极搭铁线路系统。蓄电池型号为6-QA-90，容量为90A·h。SY6474的起动机型号为312型，电压与功率分别为1.2V和1.lkW；发电机为JF系列型整流交流发电机。

1.8有限元法基本原理

1.8.1有限元法基本思想

有限元的基本思想是：将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连续的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在第一单元中假设一插值函数以求表示单元中中场函数的分布规律，进而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题[3]。

1.8.2有限元分析问题的基本步骤

有限元法分析问题的基本步骤[26]：

(1)结构的离散化。离散化就是将要分析的结构分割成有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，使相邻单元的有关系数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体以代替原来的结构。结构离散化时，划分的单元大小和数目应根据计算精度的要求和计算机的容量来决定。

(2)选择位移差值函数。为了能用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布作一定的假设，即假定位移是坐标的某个简单的函数。选择适当的位移函数是有限单元法分析中的关键。通常采用多项式作为位移函数。

(3)分析单元的力学特性。利用几何方程、结构方程和变分原理最终得到单位刚度矩阵。

(4)集合所有单元的平衡方程，建立整体结构的平衡方程。先将各个单元刚度矩阵合成整体刚度矩阵，然后将各单元的等效节点力列阵集合成总的载荷列阵。

(5)由平衡方程组求解未知节点位移和计算单元应力。

对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同[26]。有限元求解问题的基本步骤如下：

（1）问题及求解域定义。根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。

（2）求解域离散化。将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小(网络越细)则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。

（3）确定状态变量及控制方法。一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。

（4）单元推导。对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵(结构力学中称刚度阵或柔度阵)。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺陷的危险，将导致无法求解。

（5）总装求解。将单元总装形成离散域的总矩阵方程(联合方程组)反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数(可能的话)连续性建立在结点处。

（6）联立方程组求解和结果解释。有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。

1.8.3有限元网格划分方法与基本原理

1．有限元网格划分的指导思想

有限元网格划分的指导思想是首先进行总体模型规划，包括物理模型的构造、单元类型的选择、网格密度的确定等多方面的内容。在网格划分和初步求解时，做到先简单后复杂，先粗后精，2D单元和3D单元合理搭配使用。为提高求解的效率要充分利用重复与对称等特征，由于工程结构一般具有重复对称或轴对称、镜象对称等特点，采用子结构或对称模型可以提高求解的效率和精度。利用轴对称或子结构时要注意场合，如在进行模态分析、屈曲分析整体求解时，则应采用整体模型，同时选择合理的起点并设置合理的坐标系，可以提高求解的精度和效率，例如，轴对称场合多采用柱坐标系。有限元分析的精度和效率与单元的密度和几何形状有着密切的关系，按照相应的误差准则和网格疏密程度，避免网格的畸形。在网格重划分过程中常采用曲率控制、单元尺寸与数量控制、穿透控制等控制准则。在选用单元时要注意剪力自锁、沙漏和网格扭曲、不可压缩材料的体积自锁等问题。

典型有限元软件平台都提供网格映射划分和自由适应划分的策略。映射划分（Mapped/IsoMesh）用于曲线、曲面、实体的网格划分方法，可使用三角形、四边形、四面体、五面体和六面体，通过指定单元边长、网格数量等参数对网格进行严格控制，映射划分只用于规则的几何图素，对于裁剪曲面或者空间自由曲面等复杂几何体则难以控制。自由网格划分（Free/Pavers）用于空间自由曲面和复杂实体，采用三角形、四边形、四面体进行划分，采用网格数量、边长及曲率来控制网格的质量。例如，在MSC.MARC中，其转换（Convert）用法是几何模型转换为网格模型，点转换为节点，曲线转换为线单元，面转换为三角形、四边形等。网格自动划分（Auto Mesh）则是在任意曲面上生成三角形或者四边形，对任意几何体生成四面体或者六面体。

网格重划分（Remesh）是在每一步计算过程中，检查各单元法向来判定各区域的曲率变化情况，在曲率较大变形剧烈的区域单元，进行网格加密重新划分，如此循环直到满足网格单元的曲率要求为止。网格重划分的思想是通过网格加密的方法来提高分析的精度和效率。网格自适应划分（Adaptive Refinement）的思想是在计算步中，升高不满足分析条件的低阶单元的阶次来提高分析的精度和效率，应用比较广泛。自适应网格划分必须采用适当的单元，在保证单元阶次的基础上，原本已形成的单元刚度矩阵等特性保持不变，才能同时提高精度和效率。阶谱单元（Hierarchical Element）充分发挥了自适应网格划分的优点，在计算中通过不断增加初始单元的边上的节点数，从而使单元插值函数的阶次在前一阶的基础上不断增加，通过引入新增节点的插值函数来提高求解的精度和效率。例如，三节点三角形单元升为六节点三角形单元，四节点四边形单元升阶为8节点四边形单元，四节点四面体单元升阶为8节点、10节点、20节点四面体。

2．有限元网格划分的基本方法

有限元网格划分方法有两种，对于简单的结构多采用直接建立单元模型的网格直接生成法，当对象比较复杂时，多通过几何自动生成法来完成，即在几何元素描述的物理基础上自动离散成有限单元。有限元单元可以按几何维数划分为一维、二维和三维单元，而在实际应用中采用拓扑结构单元，包括常用的质量单元、弹簧元、杆与梁管单元、平面三角形单元、平面四边形单元、膜单元、等参单元、壳单元和三维实体单元。有限元网格划分，对于二维平面、三维曲面和三维实体网格有以下几种划分方法：

（1）覆盖法：基于四边形的网格划分，要求网格划分的平面或曲面必须是完整裁减曲面，该曲面边界必须是裁减曲线；

（2）前沿法：通过把曲面等参变换到二维空间进行网格划分，然后映射到三维空间曲面上，把曲面划分成完全的四边形单元或三角形单元；

图2-13主减速器壳

2.3PRO/E文件导入ANSYS

首先，安装ANSYS时，必须安装了ANSYS Connection For Pro/ENGINEER模块（代号82）。在\开始_程序_ANSYS 9.0_ANS_ADMIN Utility\中，选择configuration options，选择configure connection for Pro/E，输入模块类型，图形类型、工作空间

图2-14 PRO/E文件导入ANSYS的壳体模型图

作空间大小等，再输入Pro/E的安装路径，完成\连接\安装，此时将在Pro/E的相关文件夹中产生一个protk.dat文件。运行Pro/E，窗口中可能出现一个不能连接的提示，打开一个已建好的模型 （可以不必输入材料特性），此时在Pro/E的菜单中（屏幕右边）最后一行会出现ANSYS GEOM，单击它，直到自动调用并启动了ANSYS，此时再选取File import Pro/E，在文件名栏中输入正确的文件名，点OK即可完成输入。

应特别注意的问题是，被打开的*.prt文件必须在Pro/E的工作目录中，或者Pro/E与ANSYS有相同的工作目录，否则会出现找不到*.anf文件的错误。

另外，如果在Pro/E command栏中填入系统的正确的命令如proe2000i2或

proe2001，再点取OK则会重新传输模型后再导入。

3汽车主减速器壳的静力分析

本章通过对减速器壳的静力学分析，得到主减速器壳的应力、应变、位移的情况，并进行强度较核，找出设计的缺陷。

3.1结构静力学分析概述

结构静力学分析是用于分析稳态载荷或固定不变的惯性载荷（如重力和离心 力）引起的系统或部件的应力、应变、变形位移等。结构静力学分析包括线性和非线性分析[26]。

结构静力学分析的方程： [K]{x}={F} （3.1）

结构静力学分析就是按方程3.1平衡关系确定计算的，其中[K]为刚度系数矩阵，{x}为位移矢量，{F}为力矢量[26]。

3.2主减速器壳的静力分析

在变速比为最低档的情况时，对主减速器壳进行静力学分析。得到主减速器壳的应力、应变、位移，并且对其强度进行较核。

3.2.1模型参数

把汽车主减速器壳的PRO/E模型直接导入到ANSYS中，定义主减速器壳的材料为球墨铸铁，即材料属性如表3-1所示。

表3-1 汽车主减速器壳的材料属性

材料名称 球墨铸铁

泊松比 0.23

弹性模量（MPa） 1.5×10

5

密度（kg/mm） 7.3×10

-6

3

3.2.2网格划分

ANSYS包括两种网格划分类型：自由和映射

所谓“自由”，体现在没有特定的准则，对单元形状无限制，生成的单元不规则，基本适用于所有的模型。自由网格生成的内部节点位置比较随意，用户无法控制。操作方式是打开Mesh Tool工具条上的Free选项。所用单元形状依赖于是对面还是对体进行网格划分。对于面，自由网格可以只由四边形单元组成，

也可以只由三角形单元组成，或两者混合。对于体，自由网格一般限制为四面体单元。

映射网格划分要求面或体形状满足一定规则，且映射面网格只包括三角形单元或四边形单元，映射体网格只包括六面体单元，它生成的单元形状比较规则，适用于形状规则的面和体。对于映射网格划分，生成的单元尺寸依赖于当前DSIZE、ESIZE、KESIZE、LESIZE和ASIZE的设置。Smart size不能用于映射网格划分。当使用硬点时，不支持映射网格划分。

面映射网格划分：包括全部是四边形单元或者全部是三角形单元。 此面必须由3或4条线围成，在对边上必须有相等的单元划分数。如果此面由3条线围成，则三条边上的单元划分数必须相等且必须是偶数。对边网格数之差相等，或者一对对边网格数相等，另一对网格数之差为偶数，也可以进行映射网格划分。

如果一个面由多于4条的线围成，则它不能直接采用映射网格进行划分，然而，为了将总的线数减少到4，其中的某些线可以被加起来（add）或连接起来（concatenated，一种进行网格划分时的操作）。

代替进行连接操作（concatenation），可以用拾取一个面的3个或4个角点来进行面映射网格划分，这种简化的映射网格划分方法将两个关键点之间的多条线内部连接起来。

为了得到映射网格，必须在面的对边上指定相等的线的划分数（或者定义线的划分数对应于某种传递方式）。不需要在所有的线上指定划分数，只要是采用映射网格划分，程序会将线的划分数由一条边传递到对边，传递所有相邻的要划分网格的面）

体映射网格：为了给一个体划分六面体单元，则必须满足 ·它必须是块形（六面体），五面体或四面体形 ·在对面和侧边上所定义的单元划分数必须相等

·如果体是棱柱形或四面体形，在三角形面上的单元划分数必须是偶数 ·相对棱边上划分的单元数必须相等

为了进行体映射网格划分，可以通过连接面来减少围成体的边界面的数目。给体进行映射网格划分时，连接面也要求连接线。在有些情况下，也可以将面加起来而不用面连接的方法（当面是平的并且共面时），这样，使用加的操作比使用连接操作更好。在完成加的操作后，仍需进行边界线的连接操作。

MSHKEY，KEY指定网格划分种类，KEY的值为“0”时采用自由网格划分，为“1”时采用映射网格划分，为“2”时首先按映射网格划分，不能划分时则采用自由网格划分。

MSHAPE，KEY，DIMENSION指定单元划分形状，当KEY=0、DIMENSION=2D时采用四边形单元划分网格；当KEY=0、DIMENSION=3D时采用六面体形单元划分网格；当KEY=1、DIMENSION=2D时采用三角形单元划分网格；当KEY=1、DIMENSION=3D时采用四面体形单元划分网格

智能尺寸网格划分

灵活的Smart size（单元大小）是自由网格划分操作生成初始单元大小的网格划分特点，它在自动网格生成过程中对生成合理的单元形状提供了机会。Smart size算法首先对将要划分网格的面或体上的所有线估算单元边长大小，然后对几何体上的弯曲近似区域的线进行细化，最后自动生成合理形状的单元和单元尺寸分布。它的控制有两种：基本控制和高级控制。

①基本控制：可以简单指定网格划分尺寸（1～10，对应网格由细到粗）命令SMRTSIZE，SIZLVL

②高级控制：用来设置人工控制网格质量，命令SMRTSIZE

图3-1 主减速器壳模型网格图

由于主减速器壳结构复杂，用三维实体单元来描述壳体结构，更能放映壳体的实际情况。在ANSYS软件中，三维实体单元有两种：六面体单元和四面体单元。由于六面体单元在划分是要求结构比较规则，而对于机架这类较复杂的结构，对其进行六面体网格的自动划分十分困难，而用四面体单元分析三维结构，单元划分比较灵活，可以逼进复杂的几何形状，因此，对主减速器壳体的网格划分采用四面体单元。并且对可能出现危险部位进行网格细化，以至分析的结果能较为精确。划分网格的结果是模型中共有92270个节点，140406个单元，壳体模型网格如图3-1，3-2所示。

3.2.3约束和载荷

根据实际情况，对下主减速器壳的下表面施加固定约束。

从金杯SY6474汽车的基本参数中，可知主减速器壳的最大轴向工作压力为8493.2Pa，作用在主减速器壳安装半轴的侧表面记为表面Ⅰ（表面为蓝色）；由于主、从动齿轮的啮合，转矩作用的结果，使得主动轴处轴承受径向力，直接作用在壳体上，转化为压力大小为1833333 Pa，作用在壳体内侧面记为表面Ⅱ（表面为红色处）。主减速器壳的受力都按均布载荷考虑[1]。施加约束和载荷的结果，如图3-2所示。

约束

表面Ⅱ

表面Ⅰ

图3-2主减速器壳模型的约束与载荷

3.2.4主减速器壳静力分析结果评价

汽车主减速器壳的静力学分析云图，如图3-3，3-4，3-5所示。分析结果总结如表3-2。

表3-2 主减速器壳静力分析结果总结

壳体受力位置 表面Ⅰ 表面Ⅱ

应力（MPa） 34.5 62.6

位移(mm) 0.000986 0.010452

壳体使用的球墨铸铁,它的材料主要力学性能参数如表3-3所示。

表3-3 球墨铸铁的主要力学性能

材料名称 球墨铸铁

屈服强度（σs/MPa）

320

抗拉强度（σb/ MPa）

530

图3-3主减速器壳的变形结果云图

图3-4 主减速器壳的位移云图

图3-5 主减速器壳的应力云图

主减速器壳的屈服强度与抗拉强度如表3-3所示，根据静力分析结果可知：最大 应力为62.6Mpa,远远小于它的屈服极限，所以主减速器壳的设计满足静力强度的设计要求。

图3-6 显示路径的节点图（表面Ⅰ）

图3-7路径上壳体的应力曲线图（表面Ⅰ）

图3-8路径上壳体的位移曲线图

定义路径为选取位于表面Ⅰ上的五个节点，如图3-6所示，应力曲线如图3-7所示，位移曲线如图3-8所示，可以看出壳体在起始位置时，壳体应力值最小，变形也最小；壳体在（29.092，3207.803）位置，应力明显大于其他各处应力值；可知表面Ⅰ的最底部中间位置处应力最大；壳体在（20.78，0.304）位置，位移最大，故壳体变形最大。可知壳体所受应力不均匀。

图3-9路径节点图放大后显示（表面Ⅱ）

图3-10路径上壳体的应力曲线（表面Ⅱ）

图3-11路径上壳体的位移曲线（表面Ⅱ）

定义路径为选取位于表面Ⅱ上的五个节点，如图3-9所示，应力曲线如图3-10所示，位移曲线如图3-11所示。可以看出壳体在起始位置时，壳体应力值最小，变形却最大；壳体在（20.322，1243.754）位置，应力集中现象明显大于其他各处应力值，变形却最小；壳体在起始位置变形最大。壳体受力明显不均匀，变形量也不同。

4主减速器壳的模态分析

4.1模态分析的概述

模态分析用于提取结构的固有频率和固有振型，模态分析的重要性不仅是为了避免机械零件和结构在工作时发生共振，事先算出它们的固有频率和振型，而且还是分析结构动态响应和其他动力特性的基础。在结构设计时，固有频率和振型对于动载荷下的响应是非常重要的参数，因为结构的基本模态信息能有助于得出其动力响应的特征。

4.2主减速器壳的模态分析

4.2.1模型参数

把汽车主减速器壳的PRO/E模型直接导入到ANSYS中。定义主减速器壳的材料属性，定义为球墨铸铁。由于在ANSYS中，只要定义好了属于那种材料之后，材料的泊松比、弹性模量、密度的材料属性就自动设置好了，材料属性如表4-1。

表4-1 材料的属性

材料名称 球墨铸铁

泊松比 0.23

弹性模量(MPa)

1.5×10

5

密度（kg/mm）

7.3×10

-6

3

4.2.2网格划分

图4-1 主减速器壳的网格

模态分析中，把模型划为较粗的网格，对于模型的固有频率和振型的计算精度影响不大，但是可以减少计算时间。所以在汽车主减速器壳模态分析中，把模型的网格划得较粗。由于主减速器壳体是一种复杂结构，用三维实体单元来描述该结构，更能反映壳体的实际情况。在ANSYS 软件种，三维实体单元有两种：六面体单元和四面体单元。由于六面体单元在划分是要求结构比较规则，而对于主减速器壳这类较复杂的结构，对其进行六面体网格的自动划分十分困难，而用四面体单元分析三维结构，单元划分比较灵活，可以逼进复杂的几何形状，因此，对壳体的网格划分采用四面体单元。因此使用系统默认（四面体单元）的网格划分方式对主减速器壳模型进行网格划分，得到：92270个节点，140406个单元，其模型网格图，如图4-1所示。

4.2.3约束

在实际情况中，主减速器壳通过螺栓固定于驱动桥上。因此，对主减速器壳模型的下底面以及四个螺栓底面，添加固定约束，如图4-2所示。

4-2 约束

4.2.4汽车主减速器壳的模态分析结果评价

表4-2主减速器壳模态分析结果总结

模态阶数

1 2

自由振动频率（Hz）

1570.3 1839.0

最大振幅（㎜） 0.740465 0.696926

模态振型描述 壳体没有明显变形 壳体上部偏向外侧，沿X轴负向与Z轴正

向弯曲振动

3

2599.5

2.082

壳体的筋弯曲，上部沿X轴负向Z轴正向

弯曲振动

4

2915.4

1.7

上部沿X轴负向Z轴正向弯曲振动

5

3047.0

0.813476

沿X轴壳体振动幅度

减小

汽车主减速器壳自由振动前五阶振型云图，如图4-1，4-2，4-3，4-4，4-5，所示。主减速器壳模态分析结果，总结如上表4-2。

图4-1 一阶模态云图

图4-2 二阶模态云图

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