本科毕业论文-某载货车驱动桥壳有限元分析.doc
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毕业论文
设计题目某载货车驱动桥壳的有限元分析
学生姓名
学号20101044
专业班级车辆工程10-2班
指导教师
院系名称机械与汽车工程学院
2014年6月3日
目录
摘要 1
Abstract 2
1绪论 2
1.1课题研究的背景和意义 3
1.2桥壳有限元分析国内外研究现状 4
1.2.1桥壳结构分析国内外研究现状 4
1.2.2桥壳轻量化国内外研究现状 5
1.3研究内容与技术路线 6
2驱动桥壳的相关介绍及力学计算 7
2.1驱动桥壳简介 7
2.2驱动桥壳的受力计算 8
2.2.1最大垂向力工况 9
2.2.2最大牵引力工况 10
2.2.3最大制动力工况 11
2.2.4最大侧向力工况 11
2.3本章小结 12
3驱动桥壳几何模型与有限元模型的建立 13
3.1驱动桥壳几何模型的建立 13
3.2有限元分析方法 15
3.2.1有限元分析简介 15
3.2.2有限元分析在汽车设计中的应用 17
3.2.3ANSYS简介 18
3.3ANSYS中建立桥壳的有限元模型 19
4驱动桥壳的静力分析 23
4.1几种典型工况下的静力分析 23
4.1.1最大垂向力工况 23
4.1.2最大牵引力工况 24
4.1.3最大制动力工况 25
4.1.4最大侧向力工况 26
4.2本章小结 27
5驱动桥壳的模态分析 28
5.1ANSYS模态分析 28
5.2驱动桥壳的自由模态分析 29
5.3驱动桥壳的约束模态分析 31
5.4本章小结 34
6驱动桥壳的轻量化设计 34
6.1轻量化方案的确定 35
6.2改进后模型的有限元分析 35
6.2.1改进后桥壳的静力分析 35
6.2.2改进后桥壳的模态分析 36
6.3本章小结 37
7总结与展望 38
7.1本文的主要内容 38
7.2后续研究展望 38
谢辞 39
[参考文献] 40
某载货车驱动桥壳有限元分析
摘要：
汽车驱动桥壳是汽车上的关键部件之一,不仅是承载件与传力件,同时也是主减速器、差速器及半轴等装置的外壳。
汽车驱动桥壳必须具有足够的强度、刚度、动态特性和疲劳寿命。
本文以有限元静态分析、动态分析及机械结构优化设计理论为基础，以某载货车的驱动桥壳为研究对象，综合运用了CAD、CATIA等工程绘图软件和ANSYS等有限元分析软件，完成了从驱动桥壳三维建模，有限元分析到轻量化设计的整个过程。
首先建立了驱动桥壳的三维简化模型和有限元模型。
然后在最大垂向力工况、最大牵引力工况、最大制动力工况和最大侧向力工况等四种典型工况下对桥壳进行了静力分析,得到桥壳在四种典型工况下的应力分布和变形情况；对桥壳进行模态分析,得到桥壳在自由状态下的前12阶固有频率和振型及在约束状态下的前6阶固有频率和振型；对驱动桥壳进行了优化设计，在保证桥壳强度和刚度合格的条件下减少了材料的用量。
关键词：
驱动桥壳；有限元；静力分析；动态分析；轻量化
FiniteElementAnalysisofVehicleDriveAxle
Shell
Abstract:
Automobiledriveaxleshellisoneofthekeycomponentsofthecar.Itnotonlyservesastheload-bearingandforce-transmittingpart,butalsothecrustofthemainreducer,differential,drivinghalfshaftandsomeotherdevices.Automobiledriveaxleshellmusthaveenoughstrength,stiffness,dynamiccharacteristicsandfatiguelife.BasedonthetheoriesofFEMstaticanalysis,modalanalysisandmechanicalstructureoptimization,thisthesiscompletedthethewholeprocessfromthree-dimensionalmodeling,finiteelementanalysistothelightweightdesignofthedriveaxleshellbyusingCAD、CATIAandANSYS。
Firstly，thesimplifiedthree-dimensionalmodelandfiniteelementmodelofthedriveaxleshellwereconstructed.Thenthestressdistributionanddeformationinfourtypicalloadingcaseswereobtainedinthestaticanalysis,inwhichthedriveaxleshellworkedintheconditionsofthemaximumverticalforce,themaximumtractionforce,themaximumbrakingforceandthemaximumlateralforce.Themodalanalysiswasalsoperformed,the1thto12thnaturalfrequenciesunderthefreeconditionand1thto6thnaturalfrequenciesundertheconstraintconditionweremeasured.Finally,inordertoreducetheconsumptionofmaterial,thedesignofthedriveaxleshellwasoptimizedontheconditionthatitsstrengthandstiffnesswerequalified.
Keywords：
driveaxleshell；FEM；staticanalysis；modalanalysis；lightweight
1绪论
1.1课题研究的背景和意义
驱动桥壳在汽车上是关键的传力件和承载件，它与从动桥壳一同支承各总成重量，承受车轮传来的来自路面的反作用力和力矩。
驱动桥壳在汽车传动系统中处于末端，作为主减速器、差速器和驱动车轮等传动装置的外壳，它对汽车传动系统起到了保护作用。
汽车驱动桥壳使用频率很高，使用工况复杂，故障率较高。
驱动桥壳的设计和生产质量直接关系到到整个车辆的使用性能[1]。
因此，必须要求汽车驱动桥壳具有足够的强度、刚度和疲劳寿命。
另外，合理地设计驱动桥壳，不仅可以提高材料利用率，降低成本，改善车辆的燃油经济性，还能有效提高汽车的平顺性和舒适性。
在设计汽车驱动桥壳的过程中，最重要的任务和要求就是在保证驱动桥壳具有足够的强度、刚度、动态特性和疲劳寿命的情况下，采用合理的结构，减轻驱动桥壳的重量，提高材料的利用效率，减少材料的消耗。
汽车行驶条件复杂，工作环境多变，设计和生产驱动桥壳涉及到包括材料、力学、工艺和试验等多个学科在内的广泛领域[2]。
目前，国内相当一部分驱动桥壳制造商普遍采用力学简化计算与经验设计相结合的方法对桥壳进行结构设计。
同时，使用整车道路行驶试验、台架试验等各种实验方法来校核其应力、变形量和疲劳寿命是否满足要求。
这样设计出来的驱动桥壳，往往采用传统材料，用料多，重量大，结构的静强度往往很富裕，而可靠性却没有把握。
这导致车辆的材料成本增加，油耗高，排放污染严重，综合使用性能差，与安全、节能、环保的发展方向背道而驰。
随着汽车工业技术和计算机技术的迅猛发展，分析仿真技术高效率低成本的优势日益凸显，在汽车设计中发挥了重要的作用。
ANSYS、Hypermesh等各种有限元分析软件成为了CAE技术广泛应用的工具。
通过建立汽车驱动桥壳的有限元仿真模型，对其进行静态分析、模态分析、疲劳寿命分析和结构优化，可以进一步修正模型，使驱动桥壳在满足强度、刚度、动态特性和疲劳寿命等要求的同时，最大限度的减轻重量，减少材料消耗[3]。
运用有限元分析软件（如ANSYS软件）对驱动桥壳进行分析，可以缩短产品开发周期，降低开发成本，在保证产品质量的同时实现轻量化。
有限元分析方法带来的经济效益十分可观。
以某载货车的驱动桥壳作为研究对象，使用有限元仿真软件ANSYS对桥壳进行全面的分析和校核，以确保桥壳在各种复杂工况下都能安全使用[4]。
这不仅能够解决企业在设计和生产过程中的实际问题，为企业对其产品的设计、制造、检验和优化改造提供实际的参考和指导，还能够帮助企业提高产品的设计水平，缩短产品的开发周期，降低产品的开发成本，为企业在提高核心竞争力方面提供思路和方法，具有较大的实际意义和经济价值。
同时，随着油气资源趋于枯竭，环境污染问题日益突出，节能减排越来越受到全社会的重视。
降低燃油消耗，减少废气排放成为汽车工业研究的热点[5]。
汽车轻量化是节能环保的有效措施，而作为载货车重要构件的驱动桥壳的轻量化设计更是研究的重点。
运用有限元分析软件（如ANSYS软件）对驱动桥壳进行分析，可使驱动桥壳在满足强度、刚度、动态特性和疲劳寿命等要求的同时，最大限度的减轻重量。
1.2桥壳有限元分析国内外研究现状
1.2.1桥壳结构分析国内外研究现状
过去国内为考核桥壳的强度和刚度，主要方法是对桥壳进行台架试验和整车行驶试验，或者使用电测法，在汽车满载行驶于典型路面上时测定桥壳的应力[6]。
但是这种试验的方法只有在生产出桥壳样品时才可使用，具有相当的盲目性和局限性。
有限元法是一种新兴的结构计算方法。
在国外，上世纪七十年代前后,有限元法就逐渐地应用于汽车零部件的开发和设计工作中[7]。
在日本，汽车驱动桥壳的强度分析也较早地使用了有限元分析方法。
国内也出现很多利用有限元分析软件对驱动桥壳模型并进行强度和刚度计算的例子。
借助以计算机技术为核心的现代设计方法使驱动桥壳设计更丰富合理。
南京理工大学的孙忠云[8]在其硕士毕业论文中进行了基于可靠性优化的汽车驱动桥壳设计研究。
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