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2013-08-09 by:廣州有限元培訓實踐中心 來源:有限元分析培訓中心
ANSYS的汽車驅動橋殼的有限元分析
有限元分析最基本的研究方法就是“結構離散→單元分析→整體求解”的過程。經(jīng)過近50年的發(fā)展,有限元法的理論日趨完善,已經(jīng)開發(fā)出了一批通用和專用的有限元軟件。ANSYS是當前國際上流行的有限元分析軟件,廣泛地應用于各行各業(yè),是一種通用程序,可以用它進行所有行業(yè)的幾乎任何類型的有限元分析,如汽車、宇航、鐵路、機械和電子等行業(yè)。ANSYS軟件將實體建模、系統(tǒng)組裝、有限元前后處理、有限元求解和系統(tǒng)動態(tài)分析等集成一體,最大限度地滿足工程設計分析的需要。通過結合ANSYS軟件,能高效準確地建立分析構件的三維實體模型,自動生成有限元網(wǎng)格,建立相應的約束及載荷工況,并自動進行有限元求解,對模態(tài)分析計算結果進行圖形顯示和結果輸出,對結構的動態(tài)特性作出評價。它包括結構分析、模態(tài)分析、磁場分析、熱分析和多物理場分析等眾多功能模塊。
汽車驅動橋殼是汽車上的主要承載構件之一,其作用主要有:支撐并保護主減速器、差速器和半軸等,使左右驅動車輪的軸向相對位置固定;同從動橋一起支撐車架及其上的各總成質量;汽車行駛時,承受由車輪傳來的路面反作用力和力矩并經(jīng)懸架傳給車架等。驅動橋殼應有足夠的強度和剛度且質量小,并便于主減速器的拆裝和調整。由于橋殼的尺寸和質量比較大,制造較困難,故其結構型式應在滿足使用要求的前提下應盡可能便于制造。驅動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度和剛度,且便于主減速器的裝配、調整和維修,因此普遍應用于各類汽車上。但是由于其形狀復雜,因此應力計算比較困難。根據(jù)汽車設計理論,驅動橋殼的常規(guī)設計方法是將橋殼看成一個簡支梁并校核幾種典型計算工況下某些特定斷面的最大應力值,然后考慮一個安全系數(shù)來確定工作應力,這種設計方法有很多局限性。因此近年來,許多研究人員利用有限元方法對驅動橋殼進行了計算和分析。本文中所研究的對象是在某型號貨車上使用的整體式橋殼。
一、驅動橋殼強度分析計算
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 驅動橋殼的受力簡圖
橋殼強度計算可簡化成三種典型的工況,只要在這三種載荷計算工況下橋殼的強度得到保證,就認為該橋殼在汽車行駛條件下是可靠的。
1)牽引力或制動力最大時,橋殼鋼板彈簧座處危險斷面的彎曲應力σ和扭轉切應力τ分別為:
式中:
——地面對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)
——牽引力或制動力(一側車輪上的)在水平面內引起的彎矩,
;
——牽引或制動時,上述危險斷面所受轉矩,
;
——分別為危險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),之間的關系如表1所示。
2)當側向力最大時,外輪和內輪上的垂直反力和
,
以及橋殼內、外板簧座處斷面的彎曲應力
、
之間的關系,分別為:
3)當汽車通過不平路面時,危險斷面的彎曲應力為:
式中k為動載荷系數(shù)。對于轎車,k取1.75;對于貨車,k取2.0;對于越野車,k取2.5。
橋殼的許用彎曲應力為300MPa~500MPa,許用扭轉切應力為150MPa~400MPa。可鍛鑄鐵橋殼取較小值,鋼板沖壓焊接橋殼取較大值。
上述橋殼強度的傳統(tǒng)計算方法,只能算出某一斷面的應力平均值,而不能完全反映橋殼上應力及其分布的真實情況。因此,它僅用于對橋殼強度的驗算,或用作與其他車型的橋殼強度進行比較,而不能用于計算橋殼上某點(例如應力集中點)的真實應力值。使用有限元法對驅動橋殼進行強度分析,只要計算模型簡化得當,受力約束處理合理,就可以得到比較詳細的應力與變形的分布情況,這些都是上述傳統(tǒng)計算方法所難以辦到的。
二、實現(xiàn)方法
一般來說,在整個有限元求解過程中最重要的環(huán)節(jié)是有限元前處理模型的建立。這一般包括幾何建模、定義材料屬性和實常數(shù)(要根據(jù)單元的幾何特性來設置,有些單元沒有實常數(shù))、定義單元類型,網(wǎng)格劃分、添加約束與載荷等。由于汽車零部件結構形狀較為復雜,包含許多復雜曲面,而一般有限元軟件所提供的幾何建模工具功能相當有限,難以快速方便地對其建模。因此,針對較復雜的結構,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中通過輸入接口讀入實體模型,最后在ANSYS中完成其分析過程。
三、有限元計算模型的建立
被分析汽車的參數(shù)為:汽車的名義裝載量m1=4.0t,滿載軸荷時后橋負荷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,橋殼設計的安全系數(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)國家標準,當承受滿載軸荷時,橋殼最大變形量不能超過1.5mm/m;承受2.5倍滿載軸荷時,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中建立起驅動橋殼的三維模型。在建立橋殼的有限元模型時,先對驅動橋殼實體做必要的簡化。對主要承載件,均保留其原結構形狀,以反映其力學特性,對非承載件進行了一定程度的簡化。簡化結果如圖2所示。
圖2 橋殼的三維模型
然后將模型導入到ANSYS中,對其進行網(wǎng)格劃分,劃分網(wǎng)格時選用具有較高的剛度及計算精度的四面體10節(jié)點92號單元,這樣將該零件劃分為60183個節(jié)點,29805個單元,如圖3所示。
圖3 橋殼的有限元模型
該驅動橋殼的本體材料為8mm厚的09SiVL鋼板,從材料手冊中查出其彈性模量E=5MPa,泊松比μ=0.3,材料密度為7850。計算橋殼的垂直靜彎曲剛度和靜強度的方法是: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、計算結果
在有限元模型中,驅動橋殼在2.5倍滿載軸荷工況下,應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大應力的情況下,應力較大值分布在鋼板彈簧座的兩側,約為240MPa,遠小于材料的許用應力=510MPa~610MPa。所以,該橋殼是符合結構強度要求的。
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