汽车桥壳的有限元分析毕业设计

洛阳理工学院毕业设计（论文）

汽车桥壳的有限元分析

摘 要

随着汽车工业的高速发展，对汽车性能的要求越来越高，这使得传统的驱动桥桥壳的设计计算方法已经无法满足现代汽车设计的需要。电子计算机的出现以及有限元的飞速发展为驱动桥壳的结构性能的计算分析带来了新的革命。

由于驱动桥桥壳是汽车重要的承载件和传力件，桥壳的性能和疲劳寿命直接影响着汽车的有效使用寿命。因此，驱动桥壳应有足够的强度、刚度和良好的疲劳耐久特性。合理设计驱动桥壳也是提高汽车安全性和舒适性的重要措施。

论文利用Pro/E建模软件建立高顶单胎14A-B型汽车驱动桥壳的3D模型，采用最新的ANSYS协同仿真有限元平台，按国家驱动桥壳台架试验的标准，在计算机中对5.0mm、6.0mm、6.5mm三种厚度驱动桥壳进行有限元分析，其中包括垂直弯曲刚度和静强度的分析。有限元分析结果表明，5.0mm厚桥壳的垂直静强度不符合规范要求，6.0mm、6.5mm厚的两种桥壳满足规范要求。最后，结合工程实例做了桥壳的失效分析，找出桥壳失效的原因是垂直静强度不够、某些装配部位应力过大。并提出相应的改进意见，以供参考。

关键词：驱动桥桥壳，ANSYS，垂直弯曲刚度，静强度，失效分析

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AUTOMOBILE BRIDGE SHELL FINITE ELEMENT

ANALYSIS

ABSTRACT

With the auto industry high speed development, the function to the automobile

demands more and more highly, the feasible tradition designs of the auto mobile drive axle housing already haven’t satisfy the request that modem designs. The calculation analysis that the electronic computer appearing develops at full speed for the structure designs as well as finite element method after has brought about new revolution.

Since the axle housing is mainly carrying and passing components of the

vehicle, the axle housing function and fatigue life have direct impact to effective automobile useful time, the axle housing should have sufficient intensity, stiffness and well durable fatigue property. Therefore, the axle housing designs are also to improve automobile safety and the comfortableness importance rationally methods.

The thesis makes use of Pro/E software building the 3D models of 14A-B

type’s axle housing. Using ANSYS workbench FEA simulated platform, according to the national standard of drive axle housing tests, three types thickness drive axle housing has simulated by FEA on 5.0mm, 6.0mm, 6.5mm in the computer has included vertical curves just degree and start intensity analysis. Static analysis of result indicates that the perpendicularity intensity and fatigue strength of the 5.0mm axle housing is unqualified, 6.0mm, 6.5mm two types’ axle housing come up to the national standard. End, wedge bonding engineering solid instance the lapse that made bridge housing analysis, finding out the reason of bridge housing lapse is perpendicular stat intensity not enough and some assembly part stress over big. And the submissions correspond of betterment opinion to provide a reference.

KEY WORDS: Drive axle housing, ANSYS Workbench, The vertical curves just a degree, Quiet intensity, Failure analysis

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目 录

前 言 .................................................................................................. 1 第1章 绪论 ........................................................................................ 2

1.1

汽车桥壳的分类和机构特征概述 ...................................... 2 1.2.1 国外CAE的发展和现状论述 ..................................... 3 1.2.2 国内CAE分析的发展和现状 ..................................... 4 1.3 本课题的工程背景和研究意义 ............................................. 4 1.4 本文的主要研究内容和技术路线 ......................................... 5

1.4.1 本文的主要研究内容................................................... 5 1.4.2 技术路线流程图........................................................... 5 1.5 小结 ........................................................................................ 6 第2章 有限元基本方法和桥壳有限元模型..................................... 7

2.1 有限元基本方法及其计算工具简介 ..................................... 7

2.1.1 有限元方法及其理论................................................... 7 2.1.2 ANSYS系列通用有限元软件 ...................................... 8 2.2 14A-B型汽车桥壳的实体模型和有限元模型 ................. 10

2.2.1 桥壳实体模型 ............................................................ 10 2.2.2 有限元模型、网络划分和单元介绍 ......................... 11 2.2.3 驱动桥桥壳模型材料介绍......................................... 12 2.3 小结 ...................................................................................... 12 第3章 驱动桥的受力特征及结构静力分析................................... 14

3.1 汽车驱动桥桥台试验........................................................... 14

3.1.1 驱动桥桥壳垂直弯曲刚度和静强度试验简介 ......... 14 3.1.2 垂直弯曲刚度和静强度试验评估指标 ..................... 14 3.2 桥壳受力特征....................................................................... 15

3.2.1 约束情况 .................................................................... 15 3.2.2 载荷施加方式 ............................................................ 16 3.3 有限元分析........................................................................... 16

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1.2 汽车桥壳CAE分析的研究和发展 ....................................... 3

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3.4 小结 ...................................................................................... 18 第4章 静力分析结果 ...................................................................... 19

4.1 垂直弯曲刚度分析结果对比............................................... 19 4.2 垂直弯曲静强度分析结果对比 ........................................... 22 4.3 小结 ...................................................................................... 25 第5章 桥壳失效原因及改进意见................................................... 27

5.1 分析失效原因的目的........................................................... 27 5.2 分析的一般步骤................................................................... 27 5.3 失效原因及改进意见........................................................... 27 5.4 小结 ...................................................................................... 28 结 论 ................................................................................................ 29 谢 辞 .................................................................................................. 30 参考文献 ............................................................................................ 31 附 录 ................................................................................................ 32

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前 言

汽车驱动桥是汽车主要的传力件和承载件，它不仅要把发动机输出的扭矩传递到车轮以驱动汽车行驶，还要承受汽车以及路面的各种力和扭矩，因此要有足够的强度、刚度和疲劳强度。目前国内大多数驱动桥制造企业在设计驱动桥时，普遍以经验为依据对驱动桥的零部件进行设计，从而导致汽车在行驶过程中不断出现驱动桥不正常工作的问题，主要表现在桥壳的开裂、半轴的断裂、齿轮断裂等。本文采用有限元法对驱动桥的刚度、强度进行分析，在此基础上提出合理的改进方案。

过去工程师在对简单机械结构进行分析时，都要进行一系列的简化和假设，再采用材料力学、弹性力学或塑性力学进行分析。随着工业的迅速发展，有越来越多的复杂结构需要分析研究，这些复杂问题往往求不出它们的解析解。要解决这个问题，通常有两种途径：一是试验法，通过提出一些假设，回避一些难点，对复杂问题进行简化，使之成为能处理的问题。但是，由于太多的简化和假设，导致结果不准确甚至错误。另一种行之有效的途径是尽可能保留问题的实际状况，寻求近似的数值解。在众多的数值方法中，有限元分析法因突出的优点而被广泛应用。

本文的主要研究方法是：第一阶段，建立汽车驱动桥桥壳的三维模型，把不同厚度的桥壳通过简化成为有限元计算模型。第二阶段，根据国家标准的规定和材料试验数据，对三种厚度桥壳进行垂直弯曲刚度分析、垂直弯曲强度分析并与评估指标进行对比。第三阶段，对不合格的桥壳进行分析，找出失效机理，最后提出改进方案，重新进行有限元分析验证，以供设计部门进行参考。

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第1章 绪论

1.1 汽车桥壳的分类和机构特征概述

汽车通常由发动机、底盘、车身和电器设备四部分组成。其中底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系四个部分组成，而汽车驱动桥是传动系中不可缺少的组成部分。

汽车驱动桥壳是汽车上重要的承载构件之一，其主要作用有：支撑并保护主减速器、差速器和半轴等，使左右车轮的轴向间距相对固定；与从动桥一起支撑车架以及以上的部件总质量；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。由于桥壳的质量和尺寸比较大，制造较困难，故其结构形式在满足使用要求的前提下应尽可能便于制造[1]。驱动桥壳分为整体式桥壳，分段式桥壳两类[1]。

1、整体式桥壳由于制造方法不同可分为几种：整体铸造、钢板冲压焊接、中段铸造两端压入钢管、钢管扩展成型等形式。

整体式桥壳的结构如图1-1所示，本课题分析的江铃公司全顺高顶单胎14A-B型桥壳就属于此类。

图1-1 东风EQ109OE汽车驱动桥壳

1-半轴套管；2-后桥壳；3-放油孔；4-后桥壳垫片；5-后盖

6-油面孔；7-凸缘盘；8-通气塞

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2、分段式桥壳

分段式桥壳一般由两段组成，也有三段甚至多段组成的，各段之间用螺栓连接。它主要由铸造的主减速器、壳盖、两个钢制半轴套筒及凸缘组成。

有的分段式桥壳之间可以相对移动，采用独立悬架。分段式桥壳比整体式桥壳易于铸造，加工简单，但维修不便。当拆卸主减速器时，必须把整个驱动桥从汽车上拆下来。分段式桥壳多用于中型汽车和轻型汽车上。

1.2 汽车桥壳CAE分析的研究和发展

1.2.1 国外CAE的发展和现状论述

随着第一辆汽车问世至今，汽车零件设计已经经历了一个世纪的发展过程。传统汽车工业产品的基本设计方法是试凑法，即初级成品经测试不能满足工程及品质上的需求时，再修改原设计图，再做实验品进行测试[2]。

近年来随着计算机硬件和图形学的发展，特别是计算机辅助工程(CAE)和有限单元法(FEA)的广泛应用，为实现汽车零部件设计、结构强度分析和模具制造一体化工程提供了条件。

在CAE的应用和开发方面有CADAM系统、CATIA系统、EUCLID系统、Pro/E系统和UG等。这些系统在各大公司的设计领域中得到广泛应用。这种大量依托几何三维建模的现代设计方法和计算机数值计算能力的不断提升催进了CAE和有限元技术的快速发展。以ANSYS、ABAQUS、MSC等为代表的有限元分析软件早已活跃在全球各行各业中。大幅度缩短产品开发周期，降到成本。

由于在产品的早中期发现设计缺陷，进行修改的风险最小，引起的损失也最小。因此今后有限元分析的发展趋势应该提前到概念设计阶段，在零部件设计阶段就进行有限元分析。通过计算机仿真课有效的缩短产品的研发周期。

近20年来，以有限元分析为代表CAE作为设计手段已成为汽车工业设计发展的新趋势，推动了汽车和其他工业的发展。这一新技术及其应用水平已经成为一个国家工业生产和现代化程度的一个重要标志。

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1.2.2 国内CAE分析的发展和现状

我国早在20世纪70年代就开始对CAD/CAE的研究，20世界80年代的时候我国进行了大规模的CAD/CAE的研究与开发。20世纪90年代，随着“863/CIMS”计划的推进，北京航空航天大学、清华大学、华中理工大学等一批高校和研究院所相继推出研究成果。比如由北京高华计算机有限公司推出的高华CAD产品，北京北航海尔软件有限公司开发和销售的CAXA电子版图和CAXA-ME制造工程师软件，华中理工大学机械学院开发CAD系统等等。

1995年国内的郑建新、赵六奇[3]介绍了法国SOMA公司指定的关于汽车驱动桥桥壳强度校核方法：应用ALGOL FES软件对SOMA C116转向驱动桥桥壳进行了静强度有限元分析，得出了三种载荷情况下最大应力的出现处；在桥壳失效分析这块陈效华、刘心文[4]针对某微型汽车驱动桥样件在试验时出现驱动桥断裂的现象，以有限元理论为依据，利用面向特征建模方法，建立该桥壳三维模型和有限元模型。通过改变桥壳结构和受力，局部应力明显降低，改进后的桥壳未出现断裂现象；在桥壳的弹塑性非线性有限元分析方面有李玉河[5]等对我国生产的一种汽车后驱动桥桥壳进行了大位移、大应变弹塑性有限元模拟分析，求得了加载点的载荷，为汽车后桥的强度评价及疲劳寿命估算提供了理论依据。还有许多专家对有限元的发展有很大贡献，这里不多说了。

我国在驱动桥壳设计环节中，通过对驱动桥壳进行有限元分析计算，既可以分析驱动桥壳的变形、应力、应变、强度和刚度状况，也可以分析比较各种设计方案，在保证强度和刚度的前提下，为结构的减重、改进以及优化设计提出可行的措施和建议。

1.3 本课题的工程背景和研究意义

江铃集团旗下的全顺品牌汽车是江铃汽车和福特汽车合作精心研制的高品质商用车。该车型是由FORD欧洲版Transit车为设计原型，由于欧洲路况比较好，使用时一般不超载，加上该车的悬架减震系统良好，因此，

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该车的桥壳各项性能均达标，在欧洲完全能够满足使用要求。

当该车型引入到中国后，中国的具体情况和欧洲有很多不同，路况比较差，给桥壳的冲击载荷很大，所以在使用时，经常有用户反映该车的桥壳刚度较小，造成桥壳变形甚至疲劳断裂。售后维修中心反映，部分桥壳未过保修期出现开裂现象，导致整个桥壳必须更换。

对于驱动桥桥壳这样几何形状与组成、加工工艺与工序都比较复杂的机械零部件，在它们的制造过程中，为了保证一些关键工艺的质量（如冲压质量、焊接质量等），往往规定要定期从生产线中随机抽取样品进行实物桥壳的垂直弯曲刚度、弯曲静强度、疲劳强度等一些试验。根据各种试验中出现的应力集中位置、疲劳裂纹位置、长度来判别、认可产品的制造质量。这是一个反复调整和修改的过程，费时费力。如果在设计或检修的过程中，建立桥壳的有限元模型，在计算机上模拟相关试验，再通过小部分抽样试验，则会降低生产成本，缩短周期，产生良好的经济效益。

1.4 本文的主要研究内容和技术路线

1.4.1 本文的主要研究内容

第一阶段：建立江铃全顺汽车14A-B系列驱动桥桥壳的三维模型，桥壳厚度分别为5.0mm、6.0mm、6.5mm三种厚度通过适当简化成为有限元计算模型。

第二阶段：根据国家标准QC/T533-1999《汽车驱动桥台架试验方法》的规定和材料实验数据，利用ANSYS进行三种厚度桥壳的垂直弯曲刚度分析、垂直弯曲静强度分析，并与评估指标进行对比。

第三阶段：根据台架试验的相关规范材料试验数据结合有限元的分析结果，再对其中5.0mm厚度进行失效分析，找出失效机理，最后提出该桥壳的改进方案，重新进行有限元分析验证，以供设计部门参考。

1.4.2 技术路线流程图

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三维模型建立 有限元模型建立 刚度、强度分析 分析结果对比 失效机理

图 1-2 流程图

1.5 小结

本章主要介绍了驱动桥桥壳的分类和结构特征，并介绍了国内外关于驱动桥桥壳的CAE分析以及桥壳设计发展的过程、趋势和应用现状。联系工程实际提出本课题的研究意义是：在设计和生产检测过程中，建立驱动桥壳的有限元模型，在计算机上模拟相关试验，再通过小部分抽样试验，则会使设计和检测过程缩短，减少抽样数目，降低生产成本，产生巨大的经济效益。

本课题的主要目的是研究14A-B型桥壳在台架试验中受力特征，分析其在台架试验中断裂的根本原因，最终提出该系列驱动桥桥壳的改进方案，以供设计部门进行参考。

研究的技术路线流程是：构件14A-B系列不同厚度汽车桥壳的三维模型，再结合国家台架试验规范，以ANSYS协同仿真平台为分析平台，进行桥壳的刚度、静强度分析。最后在有限元分析结果上，对桥壳进行失效分析，找出该系列桥壳的薄弱点，进行改进，并验证改进效果。

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第2章 有限元基本方法和桥壳有限元模型

2.1 有限元基本方法及其计算工具简介

2.1.1 有限元方法及其理论

在19世纪，有限元方法的思想已经作为一种数值求解的方法被提出来了[13]，然而求解需要的巨大工作量，超出了当时人们的能力。所以这种方法当时并没有实际应用的可能性。20世纪中期开始，电子计算机技术的出现和迅速发展为人们提供了巨大的数值计算能力。在此基础上，人们重新对有限元法的实际应用展开研究。20世纪50年代，工程师首先对飞机结构进行了有限元分析，从此，有限元法进入了实际应用阶段。

有限元法的分析步骤分为结构的离散化、单元分析、整体分析三步。 有限元法是利用分割近似的原理，把连续结构分离成有限各子结构，再在子结构上寻找满足一定要求的近似解。

单元分析的任务就是确定单元载荷向量?Fe?和单元结点位移向量??e?和单元刚度矩阵?Ke?。它们之间的关系如下：

?Fe???Ke???e? (2.1) 若已知??e?，我们还可以求得单元应变向量???和单元应力向量???： ?????B???e? (2.2) 其中?B?为几何矩阵。

?????S???e? (2.3) 其中?S?为应力矩阵。

???=?De???? (2.4)

式中：

??????x??????x?y?y?z?z?xy?xy?yz?yz??z?xzxT?T

?De?为弹性矩阵

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?1????????E??De????1????1?2????????1??对称1??1?2?21?2?2????????(2.5) ???1?2???2?式中：E为材料的弹性模量，?为材料的泊松比。

将离散化的单元再组合起来，进行整体分析，确定结构的荷载向量?F?和整体位移向量???之间的整体刚度矩阵?K?。设离散结构有n个结点，其中任意结点的位移可表示为??i?，这些结点位移按结点标号从小到大的顺序排列，得结构的整体位移向量：

???=??1T?2TTT……?i……?n? (2.6)

而???只有通过结构的整体分析，建立以???为基本未知量的平衡方程组，进行求解后才能求出。这个方程为：

?F???K???? (2.7) 若已知???，则可以求得各单元内部的结点位移，随之解出应变和应力。这个就是有限法的大体解决思路。

随着有限元法及计算机技术的飞速发展，各种有限元软件也得到了日新月异的发展。有限元软件现已成为使用有限元方法解决各种工程问题的关键，它使有限元方法转化为直接推动科技进步和社会发展的生产力，使之发挥巨大的科技和经济效益。

2.1.2 ANSYS系列通用有限元软件

1970年，John Swanson博士洞察到计算机模拟工程应该商品化，于是创建了ANSYS公司，总部位于滨尼法尼亚州的匹斯堡。30年来，ANSYS公司致力于设计分析软件的开发，不断吸收新的计算方法，引领这世界有限元技术的发展，并被全球工业广泛接受。ANSYS在有限元软件领域占据举足轻重的地位[6]。

ANSYS软件是融结构、热、流体、电子、声学与一体的大型通用CAE

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有限元分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、国防军工、电子等工业和科学研究。该软件可在大多数计算机和操作系统中运行，从PC机到工作站甚至到巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。

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络划分工具，用户可以方便的构建有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高级非线性分析）、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，具有灵敏度分析和优化分析能力；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、透明半透明等图形显示出来，也可以将计算机结果以图表、曲线形式显示或输出[2]。

ANSYS公司提供的CAD链接器、参数管理器、各类API（软件的组件基于MS COM 技术）以及用户自己知识产权的API在Workbench环境下集成，形成应用程序。在汽车车辆的设计中，采用全新零部件的比例并不大，通常是将标准零部件CAD骨架库中的零部件的尺寸、材料加以变化，再添加一些细部工艺特征，即可应用到新的设计中。要对某CAD零件进行分析时，从CAD骨架库中提取模型，在Workbench程序中设置参数，然后提交给希望的求解器求解，计算结果返回Workbench进行结果显示。若用户对当前的设计方案不满意，可重新设置参数，再求解，直到满意为止。这些满意的设置参数可以直接返回对应此模型的CAD软件中（双向互动参数传递功能），生成候选的设计方案。如图2-1所示：

图2-1 基于ANSYS/Workbench的分析环境

Workbench GUI程序可以提供ANSYS公司的所有核心功能。如：问题

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的结构线性分析、非线性分析、静力分析、动力分析、疲劳分析、多目标自动优化等，也可加入计算机报告的自动生成这样的辅助功能。

2.2 14A-B型汽车桥壳的实体模型和有限元模型

2.2.1 桥壳实体模型

江铃公司全顺高顶单胎14A-B型桥壳属于整体式钢板冲压焊接式桥壳。CAD设计图如2-2所示：

图2-2 汽车驱动桥设计图

该型桥壳主要由桥壳、后盖、轴头、主减速器壳、减震器支架、千斤顶支座等部分组成。如图2-3所示：

图2-3 驱动桥爆炸视图

驱动桥桥壳的轴测图如2-4所示：

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图2-4 驱动桥轴测图

2.2.2 有限元模型、网络划分和单元介绍

当建立有限元模型时，需对桥壳实体进行必要简化。略去钢板弹簧支座、后盖、减速器外壳、衬环、油管支架、通气孔、挡油罩、加油螺塞、放油螺塞，以及部分螺纹孔和一些较小倒角后生成的有限元模型[7]。有限元网络模型如图2-5：

图2-5 有限元网络模型

Solid186是一个高阶三维20结点固体结构单元[8]。它是在八结点六面体的基础上建立起来一种高阶单元。与八结点的六面体相比，二十结点的六面体单元更适合于建立精度要求较高、边界为曲线时的模型。该单元有不同的输出可用，当单元退化为四面体、正四面体、或棱柱型时有相应的退化函数被使用。Solid186使用一致缩减积分和全积分方法[11]，本课题就采用solid186单元结构，其单元结构类型如图2-6所示：

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图2-6 solid186单元类型

2.2.3 驱动桥桥壳模型材料介绍

桥壳本体材料为宝钢产的B510L1汽车大梁用钢[9]。宝钢厂家提供的材料常数如下：弹性模量2?105MPa；泊松比0.3；密度7.85g/cm3;屈服应力380MPa；屈服极限610MPa。考虑到合格的焊缝是焊透母材，材料强度应略高于母材。

根据江铃公司提供的钢板样件，南昌大学力学实验中心做了工程材料弹性常数的测定实验，实验采用增量法[10]（载荷增量为?F，变形增量为

???l?）进行，将载荷增量和变形增量带入公式：

E??F?l???l?A （2.8）

??'计算材料的弹性模量E值，泊松比由公式???ll求得，其中：

纵向应变：?? 横向应变：??E2?1???'?ll'

材料的剪切模量由式Gtr?求得。根据当时的实验数据得出:

E?1.932e?5MPa,??0.29,G?7.488e?5MPa

2.3 小结

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本章介绍了有限单元法的基本原理是将连续体理想化为有限单元集合而成，用有限单元的集合来代替原来具有无数个自由度的连续体。有限元分析步骤分为结构的离散化、单元分析、整体分析三步。由于有限单元的分割和节点的配置非常灵活，可适用于任何复杂的几何形状。单元有各种类型，节点一般都在单元边界上，单元之间通过节点连接，并承受一定的载荷，这样就组成了有限单元集合体。通过建立整个物体的平衡方程组，引入边界约束条件后求得节点位移，并计算出各单元应力。

接着是驱动桥三维模型的建立和桥壳的网络划分，并介绍了所使用的solid95网络单元类型及其特征。

最后根据南昌大学的力学实验计算出材料的材料常数，以便在有限元计算中使用，能够得到更真实的结果。

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第3章 驱动桥的受力特征及结构静力分析

3.1 汽车驱动桥桥台试验

台架试验是为了取得汽车零件是否达到预期性能的判断数据，因此要选择能正确反应实际性能的方法。本课题参照了《中华人民共和国汽车行业标准》QC/T533-1999汽车驱动桥台试验方法。

3.1.1 驱动桥桥壳垂直弯曲刚度和静强度试验简介

驱动桥桥壳垂直弯曲刚度和静强度的台架试验只适用于非独立悬挂、全浮式半轴结构的驱动桥桥壳。试验程序为：把桥壳放在支架上，必须放平。加力点为二钢板弹簧中心（与千斤顶支座的位置上下对应），支点为轴头与桥壳连接处。安装时加力方向应与桥壳轴管中心线垂直，支点能够滚动，以适应加载变形不至于运动干涉。安装之后应加载至满载轴荷2到3次，卸载后进行正式测量。测点位置如图3-1：

图3-1力点、测点位置

虚线箭头表示力点位置，实线箭头表示测点位置

3.1.2 垂直弯曲刚度和静强度试验评估指标

1.垂直弯曲刚度评估指标：

满载轴荷时每米轮距的最大变形不得超过1.5mm。 2.垂直弯曲静强度评估指标：

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驱动桥壳在试验时，最大应力值不得超过材料的许用应力，否则不合格。

3.2 桥壳受力特征

3.2.1 约束情况

桥壳实际台架试验加载情况如图3-2所示：

图3-2驱动桥桥壳台架试验

根据台架试验中的约束要求，我们在ANSYS Workbench 进行有限元分析中对桥壳进行了边界条件处理，在桥壳两端选择一点（一个面）进行全自由度约束。如图3-3所示：

图3-3 有限元分析中桥壳的边界约束（左端）

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3.2.2 载荷施加方式

该后桥轮距1700mm，载荷以面力的形式施加在钢板弹簧支架在桥壳上的对应位置，如图3-4所示：

图 3-4 面力施加部位详图

针对5mm、6mm、6.5mm三种不同厚度桥壳的载荷施加情况，如表3-1所示:

表3-1 载荷施加情况

桥壳厚度（mm） 工况1 满载轴荷（N） 5.0 20100 50250 6.0 22110 55275 6.5 23115 57788 工况2 2.5倍满载轴荷（N）

面力的施加方向是Y轴负方向，两端面力之和为表3-1中所示。

3.3 有限元分析

以工况1厚度为5.0mm的桥壳为例进行静态分析。 步骤1：建模

在Pro/E中建立驱动桥模型，保存格式为igs的文件。 步骤2：导入模型

GUI: File>Import>IGES导入驱动桥模型 步骤3：布尔运算

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由于驱动桥模型是装配而成的，所以要对其进行加运算。

GUI: Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add选择Volumes,单击Pick All>OK完成加运算。

步骤4：定义材料类型

GUI: Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models,出现Define Material Model Behavior窗口，依此双击Structural>Linear>Elastic，双击Isotropic，在出现的对话框中输入钢材的弹性模量2e5（单位是

N/mm2，与长度单位mm对应）以及泊松比0.3，单击OK。然后双击Density，

定义材料密度DENS=7.85?10-6单位（kg/mm3）。

步骤5：划分网络

定义单元类型Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete选择Solid186

划分网络Preprocessor>Meshing>Mesh Tool出现一个对话框，点击Size controls>Global>set定义Element edge length为15，其它选项默认。点击Mesh选中模型，网络划分成功（如图2-5所示）。

步骤6：添加约束条件

Main Menu>solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Areas，选中模型两端的第三个圆柱面，设置全自由度约束（如图3-3所示）。

步骤7：施加压力

首先对压力进行换算：满载20100N，加载在一端的力就是10050N，承受压力的部位的面积72.5?50?3625mm2，所以加载在一端的压应力就为

2.77N/mm2。

Main

Menu>Preprocessor>Loads>Define

加载：菜单路径

Loads>Apply>Structure>Pressure>On Areas,弹出Apply Pressure对象拾取框，选取左端第三个圆柱面，输入载荷-2.77（方向为Y轴负向）如图3-5。同理加载右端面载荷。

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图 3-5 面力的加载

步骤8：定义重力加速度

Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Inertia>Gravity,弹

出ACELY对话框，定义一个沿Y方向的重力加速度，大小为9800mm/s2。

步骤9：求解

GUI: Main Menu>Solution>Solve>Current LS,对当前载荷进行求解，完

成后，单击Finish推出求解器。

步骤10：通用后处理

在General Postproc模块可以绘制位移以及应力云图

3.4 小结

本章介绍了汽车桥壳的台架试验，为静态分析提供参考依据；然后着重介绍了静态分析时的约束情况和载荷加载情况；最后以工况1厚度为5mm的桥壳为例，详细说明了静态分析的步骤。为下一步的结果对比奠定基础。

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第4章 静力分析结果

4.1 垂直弯曲刚度分析结果对比

根据评估标准，提取工况1的位移云图4-1、4-2、4-3

图4-1 5mm厚桥壳位移图

图4-2 6mm厚桥壳位移图

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图4-3 6.5mm厚桥壳位移图

提取工况2的位移云图4-4、4-5、4-6

图4-4 5mm厚桥壳位移图

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图 4-5 6mm厚桥壳位移图

图4-6 6.5mm厚桥壳位移图

根据上述分析结果，可整理成表4-1：

表4-1 垂直弯曲刚度结果统计图

桥壳厚度(mm) 工况1 工况2 5.0 20100 50250 21

6.0 22110 55275 6.5 23115 57788

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最大变形(mm) 轮距(mm) 每米变形(mm) 是否合格(≤1.5mm) 1.946 1700 1.145 合格 2.01 1700 1.182 合格 2.05 1700 1.206 合格

由分析结果可知，最大位移都出现在主减速器壳和后盖处，即桥壳的中部，然后依此向两端递减，最后减为0。另外根据表4-1的计算结果得出，三种厚度的桥壳在施加载荷后的每米最大变形都小于1.5mm，满足刚度要求。

4.2 垂直弯曲静强度分析结果对比

由于分析过程中把长度的单位设置为mm，所以最后的应力图中应力的单位是N/mm2，即为MPa。

首先看看工况1时，各厚度桥壳的应力云图，4-7、4-8、4-9：

图4-7 5mm厚桥壳应力图

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图4-8 6mm厚桥壳应力图

图4-9 6.5mm厚桥壳应力图

工况2时，各厚度桥壳的应力云图，4-10、4-11、4-12：

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图4-10 5mm厚桥壳应力图

图4-11 6mm厚桥壳应力图

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图4-12 6.5mm厚桥壳应力图

根据应力云图可以看出：驱动桥桥壳各点的应力值，在载荷施加处最大，出现应力集中现象。具体结果可参照表4-2：

表4-2 垂直弯曲静强度统计表

桥壳厚度(mm) 工况1 工况2 最大应力值(MPa) 是否合格(≤380MPa) 5.0 20100 50250 490.6 不合格 6.0 22110 55275 355.6 合格 6.5 23115 57788 373.3 合格

据表4-2可以看到，厚度为5mm的桥壳最大应力值超过了材料的屈服应力，可能造成桥壳的塑性变形。因此厚度为5mm的桥壳，垂直弯曲静强度不合格。

4.3 小结

本章通过导入分析结果，进行对比。计算出5mm、6mm、6.5mm厚的桥壳均满足垂直弯曲刚度要求，在进行垂直弯曲强度对比的时候，发现

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5mm厚的桥壳在施加载荷的时候，应力集中现象严重，最大达到490MPa，超过了材料的屈服应力。综合垂直弯曲刚度和垂直弯曲静强度的分析结果得出：5mm厚的桥壳为不合格产品。

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第5章 桥壳失效原因及改进意见

5.1 分析失效原因的目的

针对一个机械系统、一台机械设备、或其中关键零部件的失效分析工作主要是为了提高经济效益和社会效益，防止事故重复发生，提高产品质量、改进工艺等。

5.2 分析的一般步骤

对某一机械设备或零部件的失效分析一般分为几个步骤：失效对象现场调查；现场初步分析；检测试验、查清原因等。

江铃公司14A-B型汽车在欧洲可以很好的使用，到了我国以后却出现了桥壳不能正常工作的现象，因此要对此现象进行分析。

5.3 失效原因及改进意见

按照失效分析的一般处理过程，先对现场状况进行了解如图5-1：

图5-1 桥壳断裂

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我们看到，此桥壳断裂的原因是千斤顶支座与桥壳本体焊缝不合格造成的。结合本课题研究对象，调出桥壳静力分析时的应力云图，如图5-1所示：

图5-1 应力图

根据图5-1可知，千斤顶支座与桥壳的焊接处出现应力集中现象，这是导致驱动桥失效的原因之一，轴头与桥壳连接处也有类似情况。

结合本课题研究范围，得出结论：驱动桥桥壳失效可能是桥壳强度不够或者局部应力集中造成的。

改进意见：适当增加桥壳厚度；驱动桥在装配的时候提高装配质量，防止应力集中（比如焊缝）；人们在使用汽车时，要爱护，尽量避免超载情况发生等。

5.4 小结

本章结合实际现状，得出驱动桥失效的部分原因并提出改进意见，供有关部门参考。

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结 论

一、主要结论

1、本论文利用Pro/E建立了5mm、6mm、6.5mm三种厚度桥壳的三维模型，并根据国家台架试验规范，结合ANSYS软件对驱动桥桥壳进行有限元分析，包括垂直弯曲刚度和垂直弯曲静强度的分析。在分析结果的基础上，结合现状，找出驱动桥桥壳在使用过程中的失效原因，并提出了改进意见。

2、对于几何模型比较复杂的零件，用Pro/E或者其他专用软件建模，然后倒入ANSYS中分析，达到优势互补的功效。

二、存在的问题和不足

由于实践经验的限制和时间上的原因，本课题的研究还存在一些不足之处，主要体现在：本论文只利用ANSYS软件对驱动桥桥壳进行垂直弯曲刚度和静强度的分析，要用于实践，还要从多方面完善；对于ANSYS其他模块的功能，如：动力分析、电磁场、流体、声场、耦合场分析等应用领域有待进一步学习。

三、使用ANSYS软件的几点体会

1、计算机性能的飞速发展，电脑能够承受越来越大的计算，网格可以尽量细分以达到模拟现实情况的目的。

2、在ANSYS中，只有采用一致的单位制，才会得到正确的结果。本课题中长度单位采用的mm，对于一些和长度单位相关的衍生单位，都用mm计算，其他单位均采用国际单位制。

3、有时候计算时间特别长，不是因为节点数多求解量大，而是有可能是建模不合理，应特别注意。

4、ANSYS求解过程中，对出现的警告要高度重视。另外，建议求解过程当中监控CPU和RAM的占用情况（如将windows XP 中的任务管理器打开），若程序很久没有响应，却没有占用多少CPU和RAM，那程序一定有问题。

5、在分析过程中，首先应考虑所分析的对象易用于哪个单元类型，如果弄错了单元类型，结果必定错误。

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谢 辞

本论文是在辅导老师赵秀婷博士的悉心指导下完成的。论文从选题、学习、写作到定稿，自始至终都得到了赵老师无私的指导和帮助。赵老师深厚的学术造诣、严谨求实的治学精神一直以来都深深地影响着我。在毕业设计期间，赵老师对我在学习过程中所犯的错误从来都不予以批评，而是教我如何从错误中找出原因、分析原因、总结经验，并指导我如何用最科学、合理的方法去进行改进，少走弯路，培养了我较强的独立思考和分析能力。而这些东西将会使我终身受益。在此，我对老师高尚的品格和诲人不倦的美德致以崇高的敬意和最诚挚的谢意，并将本文献给我永远敬重的赵老师！

能顺利完成大学毕业论文，我要由衷地感谢洛阳理工学院所有给予过我关心和帮助的老师们;我要感谢我的同学和朋友们，在我遇到困难和挫折的时候是他们给予我最大的鼓励和信心，在此向他们表示我最诚挚的谢意!

再有，十几年的学习生涯中，我无时无刻都感受着亲人们的关怀和鼓励。在论文完成之际，我要感谢我的父母和家人对我始终如一的理解和支持，还有他们为我所无私付出的一切。正是他们给予了我精神上和物质上的极大鼓励和支持，才使我能够全身心地投入到学习中去。在此我向他们表示内心最诚挚的谢意和深深的感激。我要对他们说，无论在什么时候，你们都是我的坚强后盾。

最后感谢所引用文献的作者。牛顿说过：“如果我看的比别人远，那是因为我站在巨人的肩上！”

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参考文献

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尚晓江. 结构有限元高级分析方法与范例应用. 中国水利水电出

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附 录

命令流文件

下面是工况1厚度为5mm厚桥壳的静力分析命令流 IOPTN, IGES, NODEFEAT IOPTN, MERGE, YES IOPTN, SOLID, YES IOPTN, SMALL, YES IOPTN, GTOLER, DEFA

IGESIN,'asm5_asm','igs','D:\\5.0\\' FINISH /PREP7

FLST, 2, 7, 6, ORDE, 2 FITEM, 2, 1 FITEM, 2, -7 VADD, P51X MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP, 1, 0

MPDATA, EX,1,,2e5 MPDATA, PRXY,1,,0.3 MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP, 1, 0

MPDATA, DENS, 1,,7.85e-6 ET, 1, SOLID186 ESIZE, 15, 0, MSHAPE, 1, 3D MSHKEY, 0 CM, _Y, VOLU VSEL, , , , 8

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导入桥壳模型 输入弹性模量 输入泊松比 输入密度 选择单元类型 设置边界尺寸 划分网络 洛阳理工学院毕业设计（论文）

CM,_Y1,VOLU CHKMSH,'VOLU' CMSEL,S,_Y VMESH,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 FINISH /SOL

FLST,2,3,5,ORDE,3 FITEM,2,549 FITEM,2,585 FITEM,2,-586 /GO

DA,P51X,ALL,0 FINISH /PREP7

FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2,316 FITEM,2,368 /GO

SFA,P51X,1,PRES,-2.77 FINISH /SOL

ACEL, 0,9800,0, FINISH /SOLU

SOLVE FINISH /POST1

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施加载荷（面力）重力加速度 求解 洛阳理工学院毕业设计（论文）

FINISH

/CWD,'D:\\' /POST1 /EFACET,1

PLNSOL, U,SUM, 0,1.0 /EFACET,1 PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 FINISH

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