某越野汽車驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)的有限元分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u19915某越野汽車驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)的有限元分析案例 1191511.1驅(qū)動橋殼的靜力分析 1290051.1.1靜力學(xué)分析理論基礎(chǔ) 1210941.1.2四種工況下驅(qū)動橋殼的靜力分析 2270881.2驅(qū)動橋殼的模態(tài)分析 625941.2.1模態(tài)分析的原理 6290411.2.2驅(qū)動橋殼的模態(tài)分析 8120021.3驅(qū)動橋殼的疲勞分析 101.1驅(qū)動橋殼的靜力分析對驅(qū)動橋殼的性能進(jìn)行分析，如果要對驅(qū)動橋殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,必須建立在其性能滿足的條件下，靜力學(xué)分析是對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的前提條件。1.1.1靜力學(xué)分析理論基礎(chǔ)強度理論一般來講比較常用的有以下幾種,拉斷采用一二理論,材料屬性為脆性。屈服采用三四理論,材料屬性為塑性[39]。根據(jù)材料屬性,結(jié)合驅(qū)動橋殼工作狀況,在三四理論中選取來進(jìn)行強度校核。第三強度理論如下：σ式中：σ1σ3σ為材料許用應(yīng)力。第四強度理論如下：1式中：σ1σ2σ3σ為許用應(yīng)力。針對本文中對驅(qū)動橋殼的研究采用第四強度理論,通過有限元分析根據(jù)應(yīng)力圖將其所受到的最大應(yīng)力與相對應(yīng)部位所使用材料的許用應(yīng)力進(jìn)行對比,最大位移值與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，由此便可校核其強度和剛度。1.1.2四種工況下驅(qū)動橋殼的靜力分析打開HyperMesh建立的有限元模型,彈出窗口選擇OptiSruct模塊，點擊Analysis在其左側(cè)菜單中點擊OptiSruct創(chuàng)建分析文件，然后進(jìn)行求解計算,求解結(jié)束在彈出窗口中點擊results，彈出HyperView軟件界面，得到四種工況應(yīng)力和位移分布圖,如下圖3-1~圖3-8圖3-1最大垂向力工況應(yīng)力分布圖3-2最大垂向力工況的位移圖由圖3-1可知,該工況σmax=168MPa,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在輪轂軸管處,工程中對驅(qū)動橋殼分析時通常取安全系數(shù)為1.5，對應(yīng)材料σ=180MPa,圖3-3最大制動力工況應(yīng)力分布圖3-4最大制動力工況的位移圖由圖3-3可知,該工況σmax=110.2MPa,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在上板簧坐處,工程中對驅(qū)動橋殼分析時通常取安全系數(shù)為1.5，對應(yīng)材料σ=180MPa圖3-5最大牽引力工況應(yīng)力分布圖3-6最大牽引力工況的位移圖由圖3-5可知,該工況σmax=145.1MPa,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在上板簧坐附近,工程中對驅(qū)動橋殼分析時通常取安全系數(shù)為1.5，σ=180MPa圖3-7最大側(cè)向力工況應(yīng)力分布圖3-8最大側(cè)向力工況的位移圖由圖3-7可知,該工況σmax=244.3MPa,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在輪轂軸承、橋包和板簧坐的過渡區(qū)域,工程中對驅(qū)動橋殼分析時通常取安全系數(shù)為1.5，σ=293MPa1.2驅(qū)動橋殼的模態(tài)分析為了保證駕乘人員的乘坐駕駛舒適性以及行駛安全性,必須要對驅(qū)動橋殼的振型進(jìn)行必要的分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué),模態(tài)的參數(shù)可以對振動特性進(jìn)行解釋,前提就是得到固有頻率和固有振型。在進(jìn)行各項動力學(xué)分析之前都要先進(jìn)行模態(tài)分析,這一過程為驅(qū)動橋殼的設(shè)計和改良提供了強有力的數(shù)據(jù)支撐。1.2.1模態(tài)分析的原理模態(tài)分析從原理上,我們一般都會知道線性定常系統(tǒng)微分方程組有一個物理坐標(biāo)系,我們只要將其相對應(yīng)的進(jìn)行一系列變換轉(zhuǎn)換成模態(tài)坐標(biāo),讓方程具有可解耦性,這樣就可以建立一組以模態(tài)坐標(biāo)、模態(tài)參數(shù)作為描述對象的獨立方程,從而我們就可以獲得該系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。對于一個具有N自由度的線性系統(tǒng),可描述其運動方程為：（4-1）其中：[M]、[C]、[K]分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣以及剛度矩陣,X是系統(tǒng)的位移、X是系統(tǒng)的速度、X是系統(tǒng)的加速度響應(yīng)、{F}是系統(tǒng)的激勵力向量。而實對稱矩陣、非對稱矩陣我們往往可以將其表示為[M]、[K],[C],所以我們可以用一組解耦方程（4-1）來進(jìn)行表示,如果給定的系統(tǒng)非常龐大時,我們將會很難對其進(jìn)行求解。要將以上的耦合方程和非耦合獨立方程組進(jìn)行前者到后者的相互轉(zhuǎn)換就需要用到模態(tài)分析,起到的作用便為降低了耦合方程的求解難度。將物理坐標(biāo)用以無阻尼的各階主振型與之相對應(yīng)的模態(tài)坐標(biāo)進(jìn)行替代,并解耦微分方程,將其轉(zhuǎn)化成一個一個獨立的微分方程,這就是我們進(jìn)行模態(tài)分析的方法。將式（4-1）進(jìn)行簡化：（4-2）當(dāng)系統(tǒng)不受到外力作用時,即式（4-1）右端為零,如果對系統(tǒng)再次進(jìn)行簡化,阻尼為零多自由度狀態(tài)下,可以將振動方程進(jìn)行如下表示：（4-3）假設(shè)系統(tǒng)受到的是外界簡諧形式的振動,其振動形式為：（4-4）代入式（4-4）,得：([K]?ω結(jié)構(gòu)的剛度矩陣[K]和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣[M]為n階方陣,因此方程（4-5）存在n個解,可知結(jié)構(gòu)的n階固有頻率有：（4-6）利用式（4-5）求得其特征向量φ=[1.2.2驅(qū)動橋殼的模態(tài)分析使用OptiSruct求解器,分析頻率范圍的范圍進(jìn)行定義,固有頻率設(shè)置為12階,因為第1階到第6階為剛體模態(tài),頻率0,因此從第7階開始進(jìn)行研究。第7階到12階的振型圖如圖3-9到圖3-14所示,各階模態(tài)的頻率值見表3-1。圖3-9第7階模態(tài)分析圖3-10第8階模態(tài)分析圖3-11第9階模態(tài)分析圖3-12第10階模態(tài)分析圖3-13第11階模態(tài)分析圖3-14第12階模態(tài)分析表3-1橋殼的固有頻率與振型階數(shù)頻率（HZ）振型描述7565.1Z向一階彎曲8868.9Y向一階彎曲9910.8Y向二階彎曲10915.7Z向二階彎曲11956.1Y向三階彎曲12979.7Y向三階復(fù)合彎曲根據(jù)上圖3-14和表3-1可知,隨著模態(tài)分析階數(shù)的增大,其固有頻率也增大。其中第8、9、11、12階的橋殼振型均為整體的垂向彎曲與實際行駛過程中橋殼狀態(tài)一致。驅(qū)動橋殼正常工作時受到的激勵頻率等于模態(tài)分析得到的固有頻率時,其相對應(yīng)的振型就會產(chǎn)生,7-12階固有頻率均高于路面作用于汽車振動系統(tǒng)激勵的0Hz-50Hz垂直振動[42],所以不會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲現(xiàn)象,設(shè)計合理,滿足橋殼動態(tài)性能。1.3驅(qū)動橋殼的疲勞分析描述應(yīng)力循環(huán)，其中：σσr=σmax是最大應(yīng)力值,σ根據(jù)圖3-15可知,隨著時間的變化，應(yīng)力的大小和方向也在不停變化,疲勞便是由這種隨機應(yīng)力變化所造成的［43］。圖3-15應(yīng)力變動示意圖本文使用ANSYSnCodeDesignLife軟件進(jìn)行疲勞仿真分析，該軟件可以在多種分析結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞分析。ANSYSnCodeDesignLife還具有全面的疲勞分析能力。建立如下圖3-20關(guān)聯(lián)來進(jìn)行疲勞分析：圖3-20基本步驟（1）定義時間載荷序列載荷的施加位置為驅(qū)動橋殼的板簧坐處,以橋殼滿載軸荷2.5倍作為載荷最大值,故：F式中：Fmax為正弦波載荷的峰值F為橋殼滿載承受垂向載荷。設(shè)置載荷加載的頻率為5Hz,可得加載過程如下圖3-21所示：圖3-21優(yōu)化后驅(qū)動橋殼的載荷曲線（2）定義S-N曲線將材料屬性輸入得到該材料的S-N曲線,如圖3-22所示。圖3-22Q460C材料特性S-N曲線（3）疲勞分析在疲勞仿真分析軟件nCodeDesignLife中根據(jù)名義應(yīng)力法,設(shè)置載荷譜、S-N曲線后運行分析,分析結(jié)束之后得到了疲勞壽