SUV后桥桥壳建模及有限元分析.docx
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SUV后桥桥壳建模及有限元分析
河北工业大学
毕业设计说明书
作者：
白晓松学号：
090304
学院：
机械工程学院
系（专业）：
车辆工程
题目：
SUV后桥桥壳建模及有限元分析
指导者：
刘璇讲师
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
2013年6月4日
毕业设计（论文）中文摘要
SUV后桥桥壳建模及有限元分析
摘要：
目前，中国已经成为汽车销量最大市场，其中SUV销量年年攀升，在2013年上半年的销量中更是占到34%的比重。
随着汽车销量的不断突破记录，客户对汽车的性能要求也越来越高。
这就使得设计人员在进行汽车部件的设计检验时要利用最准确最快捷的方法，有限元分析正是为设计者提供了一个最佳的选择。
驱动桥壳的功用是保护并支承主减速器、半轴和差速器等等。
应用有限元分析软件对汽车桥壳进行有限元分析计算。
通过分析应力，对应力过于集中的部位进行优化，从而提高后桥壳的使用性能。
从而节省设计时间来达到最优的设计结果。
本文首先利用UG建立了SUV后桥桥壳的三维建模。
然后，再通过ANSYSWORKBENCH平台对所建立的模型进行有限元分析，并得出静刚度和垂直弯曲刚度的分析结果。
随后,根据已有的材料属性和约束条件对该后桥桥壳进行了模态分析，从而得到了该桥壳的一些固有属性，为以后的分析提供参考依据。
最后，再结合实际桥壳的失效形式，找出桥壳失效的主要原因，以此来提出改进意见。
关键词：
SUV后桥桥壳UG建模ANSYSWORKBENCH有限元分析
毕业设计（论文）外文摘要
TitleThefiniteelementanalysisofSUVrearaxlehousing
Abstract
Now,Chinahasbecomethebiggestautomobilesalesmarket.Andthesalesof
SUVrisequicklyeveryear,whichhasaccountedfor34%in2013.Withthenumberbeingrefreshedeveryday,nowpeoplearepayingmoreattentiononthevehicleperformance.Soitisbecomingmoreandmoreimportantfordesignertoknowamethodthatismorequickandaccuratetodesignandcheck.Finiteelementanalysisisthebestone.
Theapplicationoffiniteelementanalysissoftwareforfiniteelementanalysisoftheautomobileaxlehousingcangivelotsofhelponthedesignofaxlehousing.Throughtheanalysisofstress,thestressconcentratedareaisoptimized,soastoimprovetheperformanceoftheaxlehousing.Soitcansavethedesigntimeandtoreachthebestresult.
ThispaperusesUG3DmodelingbridgeshellsetupbyUG,thismodelstrictlyaccordingtotherequirementsofenterprisescompleted.Then,Iestablishedthefiniteelementanalysisonthemodelbyansysworkbench,andgotthestaticstiffnessandverticalbendingstiffnessanalysisresults.Atlastcombinedwiththefailureformofaxlehousing,tofindoutthemainreasonsoffailureoftheaxlehousing.
Keywords：
SUVrearaxlehousingUGmodelansysworkbenchfiniteelementanalysis
目录
1引言…………………………………………………………………………………1
1.1SUV后桥桥壳的分类和作用………………………………………………………1
1.2国内对后桥桥壳CAE分析的发展现状…………………………………………2
1.3国外对后桥桥壳CAE分析的发展现状…………………………………………3
1.4本课题的研究内容、目的与意义…………………………………………………3
1.5本章小结……………………………………………………………………………4
4
2SUV后桥桥壳的建模……………………………………………………………
2.1建模工具UG简介…………………………………………………………………4
2.1.1UG主要功能……………………………………………………………………5
2.1.2UG功能的选择…………………………………………………………………6
2.2SUV后桥桥壳零部件建模…………………………………………………………6
2.3SUV后桥桥壳的整体装配…………………………………………………………8
2.4本章小结……………………………………………………………………………9
3有限元方法和SUV后桥桥壳有限元模型建立……………………………………11
3.1有限元方法概述…………………………………………………………………11
3.2有限元分析软件ANSYSWorkbench简介…………………………………………11
3.3SUV后桥桥壳的有限元模型建立…………………………………………………12
3.3.1UG模型导入ANSYSWorkbench………………………………………………12
3.3.2模型材料的选择……………………………………………………………13
3.3.3模型网格的划分……………………………………………………………14
3.3.4对模型施加载荷和约束……………………………………………………15
3.4本章小结…………………………………………………………………………17
4SUV后桥桥壳静力分析结果及失效原因分析……………………………………17
4.1垂直弯曲刚度分析结果…………………………………………………………17
4.2垂直弯曲静强度分析结果………………………………………………………18
4.3单侧弯曲刚度分析结果…………………………………………………………18
4.4单侧弯曲静强度分析结果………………………………………………………19
4.5失效原因分析及改进意见………………………………………………………20
4.6本章小结…………………………………………………………………………21
5SUV后桥桥壳模态分析…………………………………………………………21
5.1桥壳模态分析……………………………………………………………………21
5.1.1模态分析简介………………………………………………………………22
5.1.2ANSYSWorkbench模态分析流程…………………………………………22
5.1.3SUV后桥桥壳模态图………………………………………………………23
5.2桥壳模态结果分析………………………………………………………………30
5.3本章小结…………………………………………………………………………31
结论……………………………………………………………………………………32
参考文献………………………………………………………………………………34
致谢……………………………………………………………………………………36
1引言
随着汽车工业在中国的快速发展，人们对于汽车的要求已经不仅仅满足于对驾驶性能的要求，现在人们越来越多的把关注点投到汽车的安全性上。
SUV后桥桥壳作为行驶系的主要部件之一，起着保护并支承差速器、主减速器和半轴的作用。
后桥桥壳的性能直接影响到汽车整体的安全性和寿命，桥壳对于各种机械性能有着较高的要求，这就使得以往设计零件的经验方法已经无法满足设计者的要求，汽车在行驶过程中会出现各种后桥失效的情况，如：
后桥的开裂，焊缝开裂以及半轴断裂等等。
其中失效的原因都是经验方法无法找到的。
随着计算机技术的发展，各种设计校核软件应用而生，这就使得设计者在对桥壳进行研究时可以以一个科学客观的结果来进行评价。
有限元分析方法是随着近半个世纪电子计算机技术的迅速发展而迅速发展起来的一种先进的现代计算方法。
应用有限元分析技术可以使产品的质量提高、可以使设计周期缩短、可以使产品的竞争力增强。
因此，有限元分析方法在工程师设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，这种方法现在已经成为解决特别复杂的源于工程分析计算的问题的有效途径，现在从汽车的设计到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算。
应用有限元技术不仅可以快速对零件进行校核而且可以对零件进行分析并找出失效的原因，不仅节省了设计时间还节省了设计成本。
这都是以往的经验实验法所无法达到的。
本文正是应用有限元分析来对桥壳的刚度和强度进行了分析，从而更加直观的了解到桥壳失效的主要原因。
然后，在对模型进行模态分析，从而得到了固有频率和振型等属性，为以后的谐响应打下了基础。
1．1SUV后桥桥壳的分类和作用
后桥桥壳是安装主减速器、差速器、整个轮毂、半轴和悬架的基础件，后桥桥壳的主要作用是：
支承起整个汽车的质量，并承受由车轮传过来的路面传给整个车身的反力矩和反力，然后再经过悬架传给车架或车身。
所以在设计桥壳时应具有足够的刚度和强度，来保证住减速器齿轮啮合正常并使半轴不产生附加弯曲应力。
为了保证拆装、维修的方便，桥壳可分为整体式和可分式两大类。
1、可分式桥壳
图1—1可分式桥壳
可分式桥壳（图1—1）由两个部分垂直结合起来，这两个部分通过螺栓
联接从而形成一个整体。
这种桥壳的优点就是具有简单的结构，具有较好的制造工艺，具有较好的支承的刚度。
缺点就是拆装、调整和维修的不方便，而且这种桥壳的强度和刚度受结构的影响较大，过去用于轻型汽车，但现在已经较少使用。
2、整体式桥壳
整体式桥壳（图1—2）的主要特点是有一根空心的长梁，桥壳和主减速器壳被分为两体。
这种桥壳的优点是具有较大的强度和刚度，对于主减速器的拆装和调整也非常方便。
图1—2整体式桥壳
在整体式桥壳中按照制造工艺的不同，整体式桥壳可以分为铸造式和钢板冲压焊接式两种类型。
铸造式桥壳有较大的刚度和强度，但是也有较大的质量，较多的加工面，更为复杂的制造工艺，所以这种桥壳主要用于中、重型货车上。
钢板冲压焊接式桥壳有较小的质量，较高的材料利用率，较低的制造成本，所以非常适于大批量的生产，这种桥壳广泛用于轿车和中、小型货车及部分重型货车上。
1.2国内对后桥桥壳CAE分析的发展现状
随着国外各种建模分析软件进入中国，如：
Pro/E、UG、Soliderworks、CATIA等等。
整合在软件其中的有限元分析也得到了国内用户的重视，比如UG软件中的nastran模块和Soliderworks中的COSMOS模块等等。
ANSYS等专门的大型有限元分析软件也被国内用户接受并应用于各种设计当中。
在此基础上，国内众多学者对后桥桥壳进行了有限元分析。
在1995年郑建新和赵六奇对转向驱动桥壳进行了静强度有限元分析，得到了三种载荷情况下的最大应力出现处。
陈效华和刘心文建立了某微型车的驱动桥三维几何模型和有限元模型，通过有限元应力分析得出该桥壳在某处有应力集中现象，并依此来对桥壳模型进行修改，从而消除应力集中现象，最终解决了该桥壳断裂失效的情况，取得了较高的经济和社会效益。
李玉河在桥壳塑性非线性有限元分析方面取得了较高的成就，对后桥壳进行了大位移、大应变弹塑性有限元模拟分析，求得了位移变化曲线、载荷变化曲线、危险截面的弹塑性应力，为汽车后桥的强度评价提供了有关数据。
在国家颁布后桥台架实验标准以后，南京林业大学郑燕萍严格按照国家的台架实验标准，在计算机中采用有限元方法模拟垂直弯曲刚度和垂直弯曲静强度实验。
分析结果表明有限元模型模拟台架实验是可行的，因此，有限元分析又可为后桥的设计以及校核节省较多的时间和经济浪费。
在后桥壳的设计环节中，我国设计者基本上都会应用有限元分析技术对驱动桥壳进行分析，然后学者们再通过对分析结果进行分析即可得到驱动桥壳的应力、变形、应变、强度等数据，也可以对已有结构进行优化处理，在保证强度与刚度的前提下，使结构更加轻便，并为改进以及优化设计提供可行有效的措施。
1.3国外对后桥桥壳CAE分析的发展现状
随着近几年计算机技术的飞速发展，特别是计算机辅助工程（CAE）和有限单元法（FEA）的广泛应用，为实现汽车零部件的设计与强度的校核提供了条件。
基于各种有限元分析理论等各种全新的现代设计方法可以大大减少以往经验设计方法的盲目性和不确定性，从而提高零件设计的主动性、科学性和精确性。
在后桥桥壳的有限元分析中，美国、欧洲各国以及日本早就开展了各项研究，并取得了不错的社会效益和经济效益，其发展程度远远领先于中国的进程。
尤其是各大汽车公司早就形成了一套自己的设计校核体系，有较高的可信度。
取得的成果不胜枚举，我在这里就不再进行赘述。
在国外，有限元分析技术已经应用于概念设计阶段，这是因为在零件的设计阶段就进行有限元分析，通过计算机的有限元仿真和模拟可有效的缩短新产品的开发研究周期。
虚拟模型的建立减少了实体模型的实验次数这样就大大降低了开发新产品的研发成本，并且这种高质量的产品是建立在精确的分析技术上的。
应用有限元分析技术可以对设计产品的变更速度反应更迅速，能及时更新新产品，不被市场淘汰。
现在，以有限元为代表的现代设计方法已经成为汽车工业乃至整个机械行业设计和分析的发展趋势，并且成为了应用最广泛的技术之一。
从一个国家对这个方法的重视与应用广泛与否完全可以看出这个国家的工业成产水平与现代化程度。
1.4本课题的研究内容、目的与意义
本课题研究的主要内容为SUV后桥桥壳的建模及有限元分析。
用UG软件建立SUV驱动桥壳三维几何立体模型，将其进行简化并导入ANSYS软件中,从而建立了有限元模型。
运用ANSYS软件对桥壳进行不同工况下的静力分析,得出相应的应力与变形分布图。
将这些静力分析的结果作为新产品的开发和结构优化设计提供重要的参考依据。
发现其中的问题，并且针对存在的问题提出相应的解决方案。
技术流程如图1—3所示：
图1—3技术流程图
1.5本章小结
本章主要介绍了一下现在桥壳的主要分类，总结了国内国外对桥壳研究的现状，并对本课题的研究内容、目的与意义作了简明的阐述。
2SUV后桥桥壳的建模
2.1建模工具UG简介
UG全称UnigraphicsNX，是SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程解决方案，它把一个产品的设计过程和加工过程进行了数字化的处理，这样就可以大大的减少工程师的工作量和节省大量的实验时间。
UnigraphicsNX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。
这是一个设计人员与机器双向交流的系统，它的功能非常强大，对于各种复杂繁琐的造型它可以轻松的实现造型。
UG在最开始时主要由专业人员使用，但是随着个人计算机的普及，越来越多的设计者开始在个人电脑上进行设计。
所以，UG逐渐成为设计人员主流的选择。
2.1.1UG主要功能
1、工业设计
UG首先的产生就是为了满足设计人员对于复杂模型的建模，所以，UG在各种复杂造型方面都有完美的表型。
这种建模功能为工业设计人员提供的强大的支持并节省了大量线下的工作时间和工作量。
2、产品设计
在满足工业设计以后，工程师们越来越多的希望辅助软件可以在专业领域的设计提供更多的帮助，这就催生了UG在产品设计方面的应用，例如：
具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、焊接模块和其他行业设计所需的专业应用程序。
3、仿真、确认和优化
UG功能的强大不仅仅限于它在各种建模方面的应用，也在于它整合了各种仿真软件，例如：
有限元分析的NASTRAN。
在完成建模以后，UG自己既可以完成对该模型的有限元分析，从而节省各种软件来回转换所浪费的时间，但仿真分析的有些方面UG并没有其他的专业软件操作简单和功能也没有别的专业软件丰富。
4、模具设计
UG是当今较为流行的一种模具设计软件，主要是因为其功能强大。
MoldWizard（注塑模向导）是基于NX开发的，它是针对注塑模具设计方面的一个专业的解决方案，模块中配有常用的模具设计功能，用户可以方便的进行设计，从而节省时间，还可以按照自己的操作习惯设计属于自己的操作界面与要求，还可以开发出新的模具等功能，这在很大程度上节省了模具设计时间。
此外，MoldWizard（注塑模向导）模块为设计人员提供了一个简单形象易懂的操作流程，这些流程包括了从实体设计到最终成型的各个阶段。
直观、形象、快捷是这个模具设计的优点，它可以最大程度的帮助设计人员节省时间，并可以完成较为复杂的模具设计。
本次课题的研究主要是应用到UG的产品设计功能，以此来完成后桥桥壳的建模工作。
2.2.2UGNX6.0的功能的选择
本次建模主要应用到UG的建模模块，草图模块以及装配功能。
在UG的草图模块中绘制草图是实现UG软件参数化建模的基础，通过它可以快速的绘制出大概的形状。
然后再把零件的尺寸和约束关系加进去从而可以完成建模，所以能够较好的表达设计的意图。
几乎所有的建模都是从草图开始，所以说草图的绘制是一个三维建模的基础。
通过把草图和建模结合起来，并参照后桥桥壳有关尺寸可以迅速并准确的做出后桥桥壳的零件图。
在完成后桥桥壳各个零部件的三维建模以后，通过该装配模块可以将零件按照实际要求装配起来，并通过约束来保证装配的精度，从而准确的将各个零件的关系反映在三维模型当中。
对于UG基础功能我们有了一个大概的了解，接下来就可以进行SUV后桥桥壳的建模，为下一步的有限元分析打好基础。
2.2SUV后桥桥壳零部件建模
利用UG软件来建立各个部件的三维空间图，这些部件主要包括：
桥壳、桥壳后盖、凸缘盘（2个）、钢板弹簧支座（2个）、弹簧减震器（2个）。
些零部件都为刚体结构。
这些部件都是利用UG软件中的草图，实体，旋转，拉伸，镜像等特征或特征操作生成的。
后桥桥壳结构如图2—1所示：
图2—1后桥桥壳
在绘制该桥壳（如图2—1所示）时，只需要绘制四分之一即可，通过UG软件的镜像功能就可以方便的得到整个桥壳，然后再对桥壳进行抽壳操作，在抽壳参数处输入5mm即可得到壁厚为5mm的桥壳，然后再绘制通气孔等小件，最后得到最终的桥壳。
后桥后盖如图2—2
图2—2后盖图
绘制该后盖（如图2—5所示）时主要应用了UG中有关曲面的功能，然后再在后盖上绘制放油口等零件即可得到后盖的三维模型。
凸缘盘如图2—3
图2—3凸缘盘
钢板弹簧支座如图2—4
图2—4钢板弹簧支座
以上就完成了后桥桥壳主要零部件的建模，在建模过程中主要要注意各个部件的尺寸问题，因为尺寸问题关系到装配的精度。
接下来对零部件进行装配。
2.3SUV后桥桥壳的整体装配
利用UG软件里的装配模块进行零部件的装配。
应注意的时对于任何零部件的修改都会显示在装配图中。
利用UG软件对各个零部件进行装配的过程主要包括以下几个步骤：
1．选择菜单栏中的“开始”选项，观察“开始”中的“装配”选项，点击该选项，直至“装配”前出现对号为止。
进入装配模块后，在整个工作窗口的下面出现装配工具条，该工具条是可以上下移动的。
2．点击装配工具条中的“添加组件”选项，就可以在保存的零部件的路径下打开该零部件。
并且要选择该零部件的放置方式以及各个零件之间的关系。
重复以上操作，可以添加各个部件，但应注意的是各个零部件之间的装配约束关系，要注意装配约束的添加不要造成装配误差，从而保证装配的部件符合实际情况。
3．重复以上步骤可以添加各个零部件，直到装配完成。
在装配过程中要注意各个部件之间的关系，约束既不能多也不能少，过多的约束会造成修改的麻烦，过少的约束会使各个部件之间的关系不能确定。
装配也是生产爆炸图的基础，只有在装配好的机构中才能生产爆炸图，从而清楚明白的表达各个部件之间的关系。
以下为总的装配图（图2—5）和爆炸图（图2—6）。
图2—5总装配图
图2—6爆炸图
至此，就完成了SUV后桥桥壳的建模，建模是进行接下来分析的基础。
建模的质量的高低直接影响着以下分析速度的快门和分析结果质量的高低，一个好的建模可以迅速完成分析运算，并得到准确的结果，从而很直观的反映实际情况。
而一个质量不高的建模就会为接下来的分析造成很大的阻碍。
首先，如果建模不好，那么导入分析软件就不能准确全面的反映实际情况，然后再接下来的网格划分过程中会造成软件无法识别的情况，使时间耽误在不必要的地方。
2.4本章小结
在本章中首先对建模软件UG进行了简单的介绍，然后在UG中完成了SUV后桥桥壳的建模和装配，建模是接下来一切分析的基础，只有把这个基础打好才能在接下来的工作中不会因为模型的不完善而出现各种各样的错误，从而节省了时间。
虽然需要的是分析的结果，但这个结果不能没有一个好的建模的基础。
对此要重视建模，在以后的工作学习中要把这个基础打好。
在完成建模以后，进入下一个工作，即SUV后桥桥壳的有限元模型建立。
3.有限元方法和SUV后桥桥壳有限元模型
3.1有限元方法概述
有限元分析法大约起源于20世纪50年代，当时主要应用于航空工程中飞机结构的矩阵分析。
随着计算机技术的发展，有限元方法逐渐发展起来，这是一种比较新颖和有效的数值计算方法。
有限元方法的原理为：
将形式为连续的需要求解的结构体离散成一组单元的组合体。
从而用在每个单元内假设的近似函数来分别表示待求解的函数。
近似函数是由离散的单元组合体函数及其导数在单元各节点的数值函数来表达。
这样就使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。
有限元方法的基本思想包括：
结构离散、单元分析和整体分析。
所以，有限元法实质上是把具有无限个自由度的连续系统，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。
一般来说，有限元分析法包括以下三个步骤（图3—1）。
整体分析
单元分析
结构离散化
图3—1有限元的分析步骤
结构离散。
结构离散就是把一个整体的系统划分成有限个小的单元，这些小的单元数量是极多的，但是有限个。
然后再给分析对象实际约束和载荷，这就相当于把一个复杂的整体划分成了有限个结构规则的小的单元体，然后再分析这些单元体，从而得出整体的近似解。
这一处理称为“结构离散化”。
单元分析。
再对整体进行结构离散化以
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