第頁共64頁某輕型越野汽車后橋殼總成的輕量化設(shè)計(jì)摘要：隨著時(shí)代的發(fā)展,汽車也成為了最常見的交通工具，汽車行業(yè)在市場(chǎng)的占比越來越高,但是其對(duì)化石能源的需求量以及對(duì)環(huán)境所造成的污染問題，同樣也不可小覷。根據(jù)相關(guān)大量的試驗(yàn),如果可以減輕車身10%的質(zhì)量,那么相應(yīng)的會(huì)帶來減輕4-7%油耗的好處,汽車行駛過程中的平穩(wěn)性以及給駕乘人員所帶來的舒適性也得到了相應(yīng)的提高,輕量化如果是從結(jié)構(gòu)優(yōu)化這一角度進(jìn)行考慮的，那么還可以降低對(duì)原材料的需求量,從而制造成本也得到了相應(yīng)的下降。由此可以看出汽車輕量化在諸多方面帶來了很多好處,這也就造成了汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)輕量化的重視程度越來越高。車身底盤有很多零部件，但是橋殼是其重要部分之一,所以橋殼輕量化的研究也就顯得至關(guān)重要,本文對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼這一研究對(duì)象進(jìn)行有限元分析，并且對(duì)其尺寸也做出了相對(duì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果要對(duì)橋殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，那就必須考慮其結(jié)構(gòu)和壽命是否允許,所以對(duì)其有限元模型剛強(qiáng)度、頻率和疲勞壽命的校核也就顯得至關(guān)重要。使用SolidWorks創(chuàng)建其三維結(jié)構(gòu)模型,使用HyperMesh生成有限元模型后對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析以及模態(tài)分析,結(jié)果顯示均達(dá)到了相關(guān)要求及規(guī)定。使用nCodeDesignLife,對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命分析，滿足規(guī)定。對(duì)其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化方式選取尺寸優(yōu)化,優(yōu)化變量設(shè)置為各零件尺寸,優(yōu)化目的為使其體積達(dá)到最小化,根據(jù)每個(gè)零部件所使用的不同材料，對(duì)其進(jìn)行約束,使用HyperMesh進(jìn)行6次迭代，得到最優(yōu)尺寸,減重幅度達(dá)60%,后進(jìn)行靜強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、疲勞分析。結(jié)果顯示均達(dá)到了相關(guān)要求及規(guī)定。所以對(duì)其進(jìn)行的有限元仿真尺寸優(yōu)化可行。關(guān)鍵字：橋殼；有限元分析；尺寸優(yōu)化；疲勞分析目錄第1章緒論 61.1課題背景與研究意義 61.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 71.3課題的研究?jī)?nèi)容 71.4本章小結(jié) 8第2章驅(qū)動(dòng)橋殼模型的建立 92.1驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)形式的選取 92.2建立幾何三維結(jié)構(gòu)模型 102.2.1SolidWorks幾何建模技巧 102.2.2對(duì)橋殼模型進(jìn)行簡(jiǎn)化 102.2.3幾何模型的建立過程 102.3有限元模型的建立 112.3.1有限元分析軟件介紹 112.3.2驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型的建立 122.3.3定義材料屬性和單元屬性 122.3.4不同工況受力與約束 132.4本章小節(jié) 17第3章驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)的有限元分析 183.1驅(qū)動(dòng)橋殼的靜力分析 183.1.1靜力學(xué)分析理論基礎(chǔ) 183.1.2四種工況下驅(qū)動(dòng)橋殼的靜力分析 193.2驅(qū)動(dòng)橋殼的模態(tài)分析 223.2.1模態(tài)分析的原理 233.2.2驅(qū)動(dòng)橋殼的模態(tài)分析 243.3驅(qū)動(dòng)橋殼的疲勞分析 273.4本章小結(jié) 30第4章驅(qū)動(dòng)橋殼厚度優(yōu)化設(shè)計(jì) 314.1厚度優(yōu)化設(shè)計(jì) 314.1.1設(shè)計(jì)變量 314.1.2約束條件 314.1.3優(yōu)化原理 324.2優(yōu)化過程 324.3優(yōu)化后靜力分析和模態(tài)分析 334.3.1優(yōu)化后靜力分析 334.3.2優(yōu)化后模態(tài)分析 374.3.3優(yōu)化后疲勞壽命分析 404.4本章小結(jié) 41第5章經(jīng)濟(jì)性可行性分析報(bào)告 425.1項(xiàng)目生產(chǎn)規(guī)模 425.2經(jīng)濟(jì)可行性分析 425.3社會(huì)效益 43結(jié)論 45參考文獻(xiàn) 46第1章緒論1.1課題背景與研究意義自改革開放以來,國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科技有很大進(jìn)步。生活水平不斷提高的情況下,人們也越來越注重汽車性能的提升,除了是否快速、滿足自己需求、價(jià)格是否能承受之外,乘坐過程中的舒適性體驗(yàn)和汽車本身的可靠性也越來越成為人們乘坐過程中的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。汽車行駛過程中會(huì)受到地面的激勵(lì)作用和本身可靠性不足的影響,從而會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲。因此,對(duì)交通工具剛強(qiáng)度、振動(dòng)噪聲性能和可靠性的研究尤為重要。我們對(duì)汽車輕量化的定義是車輛行駛安全前提下對(duì)車身進(jìn)行減重,這樣我們就可以獲得提升燃油經(jīng)濟(jì)性、提升動(dòng)力性、為企業(yè)和消費(fèi)者減少成本的目的。作為人口大國(guó),環(huán)境與能源存在一定的制約,近些年來對(duì)環(huán)境污染問題重視程度越來越高,作為交通工具,對(duì)汽車的輕量化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。在汽車領(lǐng)域,各種部件的可靠性至關(guān)重要,保證這些關(guān)鍵部件在工作環(huán)境中正常工作,是確保乘客、車輛安全的重要前提。大量資料表明,越野車的驅(qū)動(dòng)橋等部件經(jīng)常會(huì)受到來自路面不平整或自身發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的振動(dòng)、啟停等突發(fā)情況下產(chǎn)生的沖擊力和結(jié)構(gòu)本身的機(jī)械力等原因產(chǎn)生的極端工況[1]。在這些因素中,振動(dòng)和沖擊的問題尤為突出,其危害性會(huì)表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面[2~3]：首先就是汽車結(jié)構(gòu)中某個(gè)頻率點(diǎn)上會(huì)產(chǎn)生共振,這樣會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)量級(jí)遠(yuǎn)大于設(shè)備能夠承受的范圍而造成結(jié)構(gòu)的損壞；其次振動(dòng)量級(jí)雖然小于設(shè)備所能承受的最大范圍邊界,但是長(zhǎng)期的振動(dòng)會(huì)使設(shè)備的疲勞強(qiáng)度達(dá)到極限而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞。因此,不僅需要關(guān)注驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度,還應(yīng)該注重從模態(tài)振動(dòng)的角度去看待驅(qū)動(dòng)橋殼,并利用合理的分析進(jìn)行校核來避免這種危害帶來的損失。目前,在對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度和振動(dòng)性能的校核上,目前基本上比較可行的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)掌握在了某些工程研制單位手中,但是宏觀上來講這些實(shí)驗(yàn)方法仍然停留在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之上,其中的一些設(shè)計(jì)方法和其中的某些試驗(yàn)手段,它們?cè)诶碚撋隙紵o法獲得有效的支撐。某些例子可以表明,一般來講在工程應(yīng)用過程中,基本上都是依靠例行的試驗(yàn)來校驗(yàn)驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度的。但是現(xiàn)在我們可以通過有限元仿真分析的方法來較為深入地了解主體結(jié)構(gòu)以及可以獲得它內(nèi)部各主要部件的受力狀況,總體來說對(duì)我們的驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性思想會(huì)產(chǎn)生良好的誘導(dǎo)作用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究人員采用初期優(yōu)化結(jié)構(gòu),后期優(yōu)化工藝的方法來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋殼輕量化。從100年前至今國(guó)外研究人員都在持續(xù)不斷的研究探索輕量化,取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展,針對(duì)于有限元分析開發(fā)了不少產(chǎn)品,對(duì)建模、分析、優(yōu)化、驗(yàn)證這些環(huán)節(jié)產(chǎn)生了不可忽略的良好效果,經(jīng)濟(jì)性也得到顯著提高。國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的輕量化研究是從近些年來才開始的,但是有著國(guó)外研究人員所做的鋪墊,輕量化方法及技術(shù)目前已被我國(guó)研究人員所掌握。海外研究人員LeiLP等人通過數(shù)值分析的有限元分析方法來對(duì)來對(duì)后橋殼進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。海外學(xué)者TimoneySS等以越野汽車后橋殼作為研究對(duì)象，有限元分析方法使用了線性有限元分析法,通過與實(shí)際試驗(yàn)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)其誤差值很小。王開松等人［23］以某卡車后橋殼作為研究對(duì)象，使用ANSYS系列軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析,分析結(jié)果表明研究對(duì)象的應(yīng)力遠(yuǎn)大于其使用材料的許用應(yīng)力,輕量化設(shè)計(jì)可以實(shí)行，與臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比分析有限元輕量化優(yōu)化的可行性。雷根成［29］也以驅(qū)動(dòng)橋殼作為研究對(duì)象，結(jié)合材料上的優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)上通過有限元分析的方法進(jìn)行尺寸優(yōu)化達(dá)到了減重7kg的目的。使用MSC.Fatigue軟件進(jìn)行疲勞分析，結(jié)合對(duì)比臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果,有限元分析法可行,結(jié)構(gòu)加材料的雙向優(yōu)化方式也被打開了先河。根據(jù)上述研究現(xiàn)狀,結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式依然是現(xiàn)如今輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)的首選方案。1.3課題的研究?jī)?nèi)容本文選擇的課題針對(duì)某輕型越野汽車后橋殼總成,對(duì)其進(jìn)行的輕量化優(yōu)化是在滿足相關(guān)前提的條件下進(jìn)行的,輕量化優(yōu)化完成再對(duì)其性能及相關(guān)系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。涵蓋以下4個(gè)方面：（1） 建立研究對(duì)象的三維幾何模型。（2）建立研究對(duì)象的有限元模型。（3）對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析以及疲勞分析。（4）對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行從輕量化角度進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。（5）對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)完的輕量化模型再次進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析以及疲勞分析。1.4本章小結(jié)本章首先針對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼這一研究對(duì)象的背景和研究意義進(jìn)行了說明，然后針對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了對(duì)比，最后概括了本課題的研究?jī)?nèi)容。第2章驅(qū)動(dòng)橋殼模型的建立2.1驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)形式的選取 本文中所選取的驅(qū)動(dòng)橋殼形式選取整體式,整體式形式的特點(diǎn)就是以一根空心的梁和橋殼的殼體以及減速器的殼體這三大部分加起來作為一整個(gè)橋殼。這種形式可以有效地提高整體的剛度以及強(qiáng)度,并且能夠?yàn)橹鳒p速器在后期的拆卸和安裝過程提供較大的便利,調(diào)整的難度也會(huì)隨之下降。如果按照制造工藝來分類的話,我們對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼所選取的整體式方式有三種方式：鑄造式,鋼板沖壓焊接式和擴(kuò)張成形。時(shí)至今日,鋼板沖壓焊接式這種制造工藝,在我國(guó)幾乎所有微型車都會(huì)運(yùn)用。它具有很多優(yōu)點(diǎn)[13]:(1）自身質(zhì)量低,回收利用率高。根據(jù)我們所統(tǒng)計(jì)到的海外數(shù)據(jù),如果驅(qū)動(dòng)橋殼的工藝從鑄造式改為鋼板沖壓焊接式,則能降低質(zhì)量的五分之二左右,并且能使單軸提高25~69%的負(fù)荷。(2）疲勞強(qiáng)度得到了有效地提升。根據(jù)國(guó)標(biāo)JB3804—84的規(guī)定,驅(qū)動(dòng)橋殼的疲勞值應(yīng)該大于等于80萬次,如果采用電子束焊接的方式,則鋼板沖壓焊接式驅(qū)動(dòng)橋殼疲勞值可以達(dá)到150~200萬次;如果焊接時(shí)采用CO2氣體進(jìn)行保護(hù),則鋼板沖壓焊接式驅(qū)動(dòng)橋殼疲勞值可以達(dá)到100萬次。(3）生產(chǎn)成本較低并且獲得產(chǎn)品率高,可以使機(jī)械化生產(chǎn)的產(chǎn)量以及效率大大提高。海外的有關(guān)數(shù)據(jù)表明,如果采用這種方法進(jìn)行批量生產(chǎn),如果產(chǎn)量大于16000根,則可以生產(chǎn)成本降低3~5成。海外的橋殼生產(chǎn)車間大都會(huì)選用鋼板沖壓焊接式的焊接方式來進(jìn)行橋殼的生產(chǎn),這便是因?yàn)槠湎鄬?duì)于鑄造式來說,有著良好的工藝性,極大地提高了自動(dòng)化生產(chǎn)以及機(jī)械化生產(chǎn)的便捷性,對(duì)多品種專業(yè)化生產(chǎn)起到了良好的效果。驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求：(1)離地間隙需要達(dá)到相應(yīng)的距離。(2)在工藝性良好的前提下使生產(chǎn)制造成本盡可能低。(3)傳動(dòng)系部件應(yīng)獲得良好的保護(hù)，這樣可以防止泥水及沙礫等進(jìn)入。2.2建立幾何三維結(jié)構(gòu)模型本文研究的是某輕型越野汽車后橋殼總成,研究對(duì)象尺寸參數(shù)如下表2.1所示。表2-1尺寸參數(shù)零件厚度輪距簧距中央部分殼體61565874橋殼左右半軸套管7橋殼連接套筒82.2.1SolidWorks幾何建模技巧（1）總坐標(biāo)系應(yīng)趨近于設(shè)計(jì)坐標(biāo)系,利于對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的建模。（2）在把握和分析結(jié)構(gòu)的主次要特征,確定步驟之后再建立幾何模型。（3）先繪制草圖，后通過對(duì)草圖進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、鏡像等創(chuàng)建實(shí)體特征。（4）盡量減少對(duì)特征的采用。先創(chuàng)建簡(jiǎn)單、規(guī)則的特征面,再生成復(fù)雜截面或曲面。（5）驅(qū)動(dòng)橋殼具有對(duì)稱性，采用相關(guān)方法減輕工作量。2.2.2對(duì)橋殼模型進(jìn)行簡(jiǎn)化（1）略去對(duì)分析影響不大的細(xì)節(jié)特征和一些小孔。（2）將橋殼本體中部的一些不等厚結(jié)構(gòu)視為等厚的，便于網(wǎng)格劃分。（3）將連接盤中非危險(xiǎn)部分的圓角、倒角簡(jiǎn)化成直角，提高建模效率。（4）忽略焊縫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。2.2.3幾何模型的建立過程我們?cè)赟olidWorks2018中建立各部分零件圖,再將這些零件進(jìn)行裝配。Solidworks2018是一套基于Windows平臺(tái)的參數(shù)化實(shí)體模型構(gòu)建軟件。橋殼作為本文研究對(duì)象，其建模過程如下：（1）觀察得知橋殼本體上下對(duì)稱,所以先建立其1/2,再鏡像得到。后通過拉伸和切除拉伸該草圖形成三維實(shí)體,再對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行圓角,抽殼和鏡像獲得整個(gè)橋殼本體。（2）通過橋殼圓孔平面，繪制圓弧,拉伸得后蓋。（3）半軸套管為上下對(duì)稱結(jié)構(gòu),建立其二分之一再旋轉(zhuǎn)得到。（4）邊接盤為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu),旋轉(zhuǎn)拉伸得到（5）最后打開SolidWorks新建裝配圖,導(dǎo)入上述步驟獲得的各零件,設(shè)置相應(yīng)的配合,完成所有的幾何建模工作，導(dǎo)出名為qiaoke.step的文件。橋殼裝配體完成之后的軸測(cè)圖如下圖2-1所示：圖2-1SolidWorks驅(qū)動(dòng)橋殼軸測(cè)圖2.3有限元模型的建立2.3.1有限元分析軟件介紹HyperMesh在全世界有限元前處理工具排行榜中位列前茅,有很多具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型,基本上都能夠通過該軟件精準(zhǔn)而快捷的建立其有限元模型。HyperMesh具有下列特點(diǎn)：（1）建模過程十分方便（2）大部分CAD系列軟件與其完美兼容（3）網(wǎng)格劃分功能先進(jìn)（4）后處理功能極度完善2.3.2驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型的建立1、幾何處理使用OptiStruct模塊進(jìn)行求解,首先點(diǎn)擊ImportSolverDeck下拉菜單中選擇ImportGeometry,文件類型為STEP,將qiaoke.step導(dǎo)入HyperMesh。HyperMesh接口與SolidWorks有容差,曲面會(huì)發(fā)生丟失，間隙會(huì)產(chǎn)生重合,HyperMesh幾何清理和修補(bǔ)功能便是為了解決這些問題,有限元分析效率得到提高。然后顯示模式選擇拓?fù)?不同的模型曲面邊界會(huì)顯示不同的顏色,自由邊是紅色,共享邊是黃色、壓縮邊是藍(lán)色。網(wǎng)格劃分不連續(xù)產(chǎn)生于相鄰曲面不會(huì)得到紅色的自由邊共享節(jié)點(diǎn),網(wǎng)格的雜亂密集產(chǎn)生于黃色的共享邊,所以對(duì)紅色邊和黃邊進(jìn)行幾何清理。2、劃分網(wǎng)格點(diǎn)擊2D，側(cè)拉菜單中選擇automesh，再點(diǎn)擊sizeandbias子模板網(wǎng)格劃分每個(gè)零部件,本文對(duì)橋殼本體利用四邊形殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,單元基本尺寸4mm,少量三角形單元過度。節(jié)點(diǎn)數(shù)為53722,單元數(shù)量為49296。得到驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型如下圖2-2所示。圖2-2驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型2.3.3定義材料屬性和單元屬性針對(duì)本文所研究的驅(qū)動(dòng)橋殼模型組成相對(duì)應(yīng)的零件屬性如下表2-2所示。表2-2材料屬性零件材料彈性模量泊松比屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度密度/（g.cm-3）殼體Q460C206GPa0.3≥440MPa≥550MPa7.85后蓋板簧座板簧壓板輪轂軸管40Cr4206GPa0.28≥785MPa≥980MPa7.85根據(jù)各零件不同的材料屬性將其材料分成兩類,在軟件中建立兩個(gè)材料屬性,對(duì)每個(gè)零件建立其相對(duì)應(yīng)的單元屬性,對(duì)每個(gè)屬性card進(jìn)行定義,再選擇對(duì)應(yīng)材料屬性,賦予厚度。將材料屬性和單元屬性對(duì)不同的零件相應(yīng)的進(jìn)行賦予。2.3.4不同工況受力與約束本文的研究對(duì)象為某型輕型越野車車型,該車型是一款緊湊型的越野車型,軸距達(dá)到了2680mm,整備質(zhì)量可達(dá)1595kg,具體參數(shù)見表2-3。表2-3車車型參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率（Kw）102發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩（N·m）235變速箱各擋速比Ⅰ擋4.425Ⅱ擋2.722Ⅲ擋1.792Ⅳ擋1.226Ⅴ擋1R擋4.722后橋主減速比i3.375后輪輪距B（mm）1565軸距L（mm）2680軸荷G21380鋼板彈簧中心距S（mm）874車車輪滾動(dòng)半徑Rr362.15（225/65R17）汽車滿載質(zhì)心高度（mm）817彈簧座離地高度（mm）500滿載質(zhì)量（kg）2000整備質(zhì)量（kg）1595選取汽車在日常使用過程中四種典型工況進(jìn)行分析。（1）最大垂直力工況汽車滿載狀態(tài)行駛在路況不好的路面上會(huì)承受沖擊載荷,假定此狀況下受到最大的垂直載荷,不受其它力和彎矩作用,將滿載軸荷的2.5倍作為垂向力大小。單邊板簧所承受的垂向載荷：T式中：G2為水平狀態(tài)下車輛滿載靜止?fàn)顟B(tài)對(duì)地面垂直載荷,N;m為后橋滿載質(zhì)量,kg;δ為動(dòng)載荷系數(shù),通常取δ=2.5;g為重力加速度,9.8m/s2（2）最大牽引力工況牽引力會(huì)在車輛爬坡和加速過程中產(chǎn)生最大值,此工況下橋殼會(huì)受到垂向和縱向載荷共同作用以及力偶矩作用。單邊板簧所承受的垂向載荷:T式中：m2為行駛狀況下橋負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù),通常取m2=1.2板簧一側(cè)的縱向力為:P式中：TE為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩,Nmi1i0η為傳動(dòng)效率,取η=0.9rk為輪胎滾動(dòng)半徑,m橋殼一側(cè)鋼板彈簧座所受到的扭矩為：M（3）最大制動(dòng)力工況行駛過程緊急制動(dòng)忽略側(cè)向力。緊急最大制動(dòng)力工況時(shí)驅(qū)動(dòng)橋殼的垂向載荷為：F=在該工況條件下水平方向的縱向力T與制動(dòng)力的大小一致,即：T=式中：m’為制動(dòng)時(shí)后橋質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù),取值范圍為0.075-0.95,此處取m’=0.8。φ為驅(qū)動(dòng)輪與地面附著系數(shù),取值范圍為0.075-0.8,此處取0.8；（4）最大側(cè)向力工況附著力小于側(cè)向力發(fā)生側(cè)滑。地面由于驅(qū)動(dòng)輪側(cè)反力對(duì)質(zhì)心產(chǎn)生的力矩會(huì)使汽車角速度增加,從而會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)狀況不可控。對(duì)右向側(cè)滑受力分析如圖2-3所示。其中,Y2L為地面作用在左側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪的側(cè)反力,Y2R為地面作用在右側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪的側(cè)反力；Z2L為側(cè)滑時(shí)左驅(qū)動(dòng)車輪作用給地面壓力的反力，Z2R為側(cè)滑時(shí)右驅(qū)動(dòng)車輪作用給地面壓力的反力[38]。圖2-3最大側(cè)向力工況受力分析簡(jiǎn)圖該狀態(tài)下,hgφ1/B=0.5,左、右驅(qū)動(dòng)車輪受到來自與地面的支撐力分別為：Z2L=0,Z2RFF式中：hg為車輛rrφ1為輪胎與地面間側(cè)向附著系數(shù),計(jì)算時(shí)取φs為滑移率,車輪邊滾邊滑時(shí),0<s<1,極限情況取0.9地面給右驅(qū)動(dòng)車輪的側(cè)向反作用力Y2R為：Y四種工況的約束和加載如表2-4所示。工況約束加載最大垂直力工況左節(jié)點(diǎn)Y向轉(zhuǎn)動(dòng)，X、Y、Z向平動(dòng);右節(jié)點(diǎn)Y向轉(zhuǎn)動(dòng)，X、Z向平動(dòng);約束節(jié)點(diǎn)Z向平動(dòng)［8］。兩端剛性區(qū)域的節(jié)點(diǎn)處加載最大垂向力。最大牽引力工況左節(jié)點(diǎn)Y向轉(zhuǎn)動(dòng)，X、Y、Z向平動(dòng);右節(jié)點(diǎn)Y向轉(zhuǎn)動(dòng)，X、Z向平動(dòng)。兩端剛性區(qū)域的節(jié)點(diǎn)加載垂向力和驅(qū)動(dòng)力。最大制動(dòng)力工況左節(jié)點(diǎn)Y向轉(zhuǎn)動(dòng)，X、Y、Z向平動(dòng);右節(jié)點(diǎn)Y向轉(zhuǎn)動(dòng)，X、Z向平動(dòng)。兩端剛性區(qū)域加載垂向力和反向制動(dòng)力和扭矩。最大側(cè)向力工況左約束節(jié)點(diǎn)X、Y、Z向平動(dòng)，X、Y向轉(zhuǎn)動(dòng),右約束節(jié)點(diǎn)Y、Z向平動(dòng)，X、Y向轉(zhuǎn)動(dòng)。右端剛性區(qū)域節(jié)點(diǎn)處施加垂向力與側(cè)向力。力的大小和約束的產(chǎn)生位置均可以通過上述的計(jì)算得到,在HyperMesh左側(cè)卡片空白區(qū)域右鍵createLoadCollector,依據(jù)表2-4創(chuàng)建力和約束,創(chuàng)建完成每種工況所受到的力與約束后,點(diǎn)擊type，在下拉選項(xiàng)中選擇linearstatic,勾選SPC對(duì)相對(duì)應(yīng)的約束進(jìn)行選取,勾選LOAD對(duì)相對(duì)應(yīng)的載荷進(jìn)行選取,加載完成得到模型如下圖2-4所示。圖2-4驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析模型2.4本章小節(jié)本章先對(duì)設(shè)計(jì)形式進(jìn)行了選取，再通過幾何建模軟件SolidWorks建立驅(qū)動(dòng)橋殼三維幾何結(jié)構(gòu)模型。然后簡(jiǎn)要的介紹了有限元法以及有限元分析軟件HyperMesh,建立其有限元模型,定義材料屬性和單元屬性，對(duì)其四種不同工況的受力與約束進(jìn)行加載。第3章驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)的有限元分析3.1驅(qū)動(dòng)橋殼的靜力分析對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的性能進(jìn)行分析，如果要對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),必須建立在其性能滿足的條件下，靜力學(xué)分析是對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提條件。3.1.1靜力學(xué)分析理論基礎(chǔ)強(qiáng)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(dòng)橋殼工作狀況,在三四理論中選取來進(jìn)行強(qiáng)度校核。第三強(qiáng)度理論如下：σ式中：σ1σ3σ為材料許用應(yīng)力。第四強(qiáng)度理論如下：1式中：σ1為xσ2為yσ3為zσ為許用應(yīng)力。針對(duì)本文中對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的研究采用第四強(qiáng)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(duì)應(yīng)部位所使用材料的許用應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比,最大位移值與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，由此便可校核其強(qiáng)度和剛度。3.1.2四種工況下驅(qū)動(dòng)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(diǎn)擊Analysis在其左側(cè)菜單中點(diǎn)擊OptiSruct創(chuàng)建分析文件，然后進(jìn)行求解計(jì)算,求解結(jié)束在彈出窗口中點(diǎn)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(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼分析時(shí)通常取安全系數(shù)為1.5，對(duì)應(yīng)材料σ=180MPa,σmax<σ,強(qiáng)度合格。由圖3-2可知,最大變形2.230mm,由表2-3得知輪距為1565mm，圖3-3最大制動(dòng)力工況應(yīng)力分布圖3-4最大制動(dòng)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(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼分析時(shí)通常取安全系數(shù)為1.5，對(duì)應(yīng)材料σ=180MPa,σmax<σ,強(qiáng)度合格。由圖3-4可知,最大變形0.7277mm,由表2-3得知輪距為1565mm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(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼分析時(shí)通常取安全系數(shù)為1.5，σ=180MPa,σmax<σ,強(qiáng)度合格。由圖3-6可知,最大變形2.117mm,由表2-3得知輪距為1565mm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(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼分析時(shí)通常取安全系數(shù)為1.5，σ=293MPa,σmax<σ,強(qiáng)度合格。由圖3-8可知,最大變形1.945mm,由表2-3得知輪距為1565mm3.2驅(qū)動(dòng)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(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的振型進(jìn)行必要的分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué),模態(tài)的參數(shù)可以對(duì)振動(dòng)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(xiàng)動(dòng)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(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)和改良提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。3.2.1模態(tài)分析的原理模態(tài)分析從原理上,我們一般都會(huì)知道線性定常系統(tǒng)微分方程組有一個(gè)物理坐標(biāo)系,我們只要將其相對(duì)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(duì)象的獨(dú)立方程,從而我們就可以獲得該系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。對(duì)于一個(gè)具有N自由度的線性系統(tǒng),可描述其運(yùn)動(dòng)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(lì)力向量。而實(shí)對(duì)稱矩陣、非對(duì)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(shí),我們將會(huì)很難對(duì)其進(jìn)行求解。要將以上的耦合方程和非耦合獨(dú)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(duì)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(gè)一個(gè)獨(dú)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(jiǎn)化：（4-2）當(dāng)系統(tǒng)不受到外力作用時(shí),即式（4-1）右端為零,如果對(duì)系統(tǒng)再次進(jìn)行簡(jiǎn)化,阻尼為零多自由度狀態(tài)下,可以將振動(dòng)方程進(jìn)行如下表示：（4-3）假設(shè)系統(tǒng)受到的是外界簡(jiǎn)諧形式的振動(dòng),其振動(dòng)形式為：（4-4）代入式（4-4）,得：([K]?ω2[M]){?}=0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(gè)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=[φ13.2.2驅(qū)動(dòng)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?yàn)榈?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(shí)際行駛過程中橋殼狀態(tài)一致。驅(qū)動(dòng)橋殼正常工作時(shí)受到的激勵(lì)頻率等于模態(tài)分析得到的固有頻率時(shí),其相對(duì)應(yīng)的振型就會(huì)產(chǎn)生,7-12階固有頻率均高于路面作用于汽車振動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)的0Hz-50Hz垂直振動(dòng)[42],所以不會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲現(xiàn)象,設(shè)計(jì)合理,滿足橋殼動(dòng)態(tài)性能。3.3驅(qū)動(dòng)橋殼的疲勞分析描述應(yīng)力循環(huán)，其中：σmσr=σmax是最大應(yīng)力值,σ根據(jù)圖3-15可知,隨著時(shí)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(jī)應(yīng)力變化所造成的［43］。圖3-15應(yīng)力變動(dòng)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(shí)間載荷序列載荷的施加位置為驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(yùn)行分析,分析結(jié)束之后得到了疲勞壽命分布圖如圖3-23,安全系數(shù)如圖3-24，其中疲勞壽命圖,顏色越紅代表疲勞壽命越長(zhǎng)。圖3-23驅(qū)動(dòng)橋殼的疲勞壽命圖3-24安全系數(shù)通過圖3-23與3-24所示結(jié)果可以看出,疲勞壽命最小值為100萬次。疲勞壽命的最小值遠(yuǎn)大于指標(biāo)中要求80萬次,安全系數(shù)最小值為1.2117，大于1，因此可知,驅(qū)動(dòng)橋殼的疲勞壽命滿足標(biāo)準(zhǔn)。3.4本章小結(jié)（1）對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行靜力分析，簡(jiǎn)述了靜力學(xué)分析理論基礎(chǔ)，然后對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼在四種典型工況下進(jìn)行靜力分析，其應(yīng)力和位移均滿足要求。（2）對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行模態(tài)分析，簡(jiǎn)述了模態(tài)分析理論基礎(chǔ)，運(yùn)用HyperMesh軟件中的OptiStruct求解器得到驅(qū)動(dòng)橋殼前12固有頻率,7-12階固有頻率均高于路面激勵(lì),結(jié)構(gòu)合理。（3）對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行疲勞分析，簡(jiǎn)述了疲勞分析理論基礎(chǔ)。使用nCodeDesignLife軟件進(jìn)行壽命分析，得到驅(qū)動(dòng)橋殼的疲勞壽命值以及安全系數(shù),滿足驅(qū)動(dòng)橋殼的疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的規(guī)定。第4章驅(qū)動(dòng)橋殼厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)4.1厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋殼內(nèi)部裝有很多重要的零部件,上接板簧,兩側(cè)連接車輪,一處微小的變動(dòng)便可以影響整車狀態(tài)，排除使用拓?fù)鋬?yōu)化。制造工藝限制了驅(qū)動(dòng)橋殼的外部形狀,為了減重而改變其外形不切實(shí)際,排除使用形狀優(yōu)化。本文采用尺寸優(yōu)化,設(shè)計(jì)變量為每個(gè)零部件厚度,約束條件為相對(duì)應(yīng)材料的屈服極限,調(diào)節(jié)厚度,減小體積,從而減小質(zhì)量,即：W=minf(X) 式中：X為厚度向量W為驅(qū)動(dòng)橋殼總成體積最小值4.1.1設(shè)計(jì)變量 選取橋殼變形最嚴(yán)重的工況作為優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。設(shè)定3個(gè)設(shè)計(jì)變量：H1、H2和H3。其中H1為中央部分殼體壁厚；H2為橋殼左、右半軸套管的壁厚；H3為橋殼連接套筒壁厚。4.1.2約束條件 (1)取值范圍2mm≤3mm≤4mm≤向量表示為:X=(2)屈服強(qiáng)度約束［σ］≤σs/n （6式中:σs［σ］為許用屈服強(qiáng)度n為安全系數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),取1.5,橋殼的［σ］=286MPa。由于三種工況下橋殼的最大變形主要集中在橋包處,因此約束該處節(jié)點(diǎn)的最大變形量S≤2mm。4.1.3優(yōu)化原理使用HyperMesh的OptiStruct求解器采取近似模型擬合方法［47］。目標(biāo)函數(shù)：W=minf(X)約束條件L需要滿足的條件是：?收斂容差使用系統(tǒng)默認(rèn)值,相鄰迭代次數(shù)體積不大于最小差值0.5%時(shí),迭代結(jié)束,此時(shí)目標(biāo)函數(shù)作為最優(yōu)解。4.2優(yōu)化過程在HyperMesh中點(diǎn)擊Analysis選擇其左側(cè)菜單中的optimizaition，使用size定義設(shè)計(jì)變量,創(chuàng)建并關(guān)聯(lián)3個(gè)設(shè)計(jì)變量。在response中定義三個(gè)體積和約束響應(yīng),再將得到體積最小值定義為目標(biāo)函數(shù),然后再每個(gè)每個(gè)相應(yīng)的模塊中約束應(yīng)力上限。通過OptiStruct六次迭代優(yōu)化分析，便可得最優(yōu)解,6次迭代優(yōu)化分析后的厚度和質(zhì)量?jī)?yōu)化結(jié)果如下表4-1所示。表4-1厚度和質(zhì)量迭代表迭代次序H1/(mm)H2/(mm)H3/(mm)W/(kg)167827.767.6234.925.717.716.4944.815.167.635.264.434.43由表4-1可知第六次迭代得到最優(yōu)解,此時(shí)橋殼總成的質(zhì)量由11.2kg優(yōu)化至4.43kg,減少了6.77kg,減重達(dá)到60%。4.3優(yōu)化后靜力分析和模態(tài)分析4.3.1優(yōu)化后靜力分析對(duì)之前的有限元模型賦予優(yōu)化后的尺寸厚度,通過OptiStruct求解器，分析得到優(yōu)化后模型在四種工況下應(yīng)力圖和位移圖。圖4-1最大垂向力工況應(yīng)力分布圖4-2最大垂向力工況位移圖由圖4-1可知,優(yōu)化后該工況σmax=188.5MPa,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在輪轂軸管的輪距線附近,工程中對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼分析時(shí)通常取安全系數(shù)為1.5，對(duì)應(yīng)材料σ=653MPa,σmax<σ,強(qiáng)度合格。由圖4-2可知,最大變形2.285mm,由表2-3得知輪距為1565mm圖4-3最大制動(dòng)力工況應(yīng)力分布圖4-4最大制動(dòng)力工況位移圖由圖4-3可知,優(yōu)化后該工況σmax=110.6MPa,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在上板簧坐處,工程中對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼分析時(shí)通常取安全系數(shù)為1.5，對(duì)應(yīng)材料σ=230MPa,σmax<σ,強(qiáng)度合格。由圖4-4可知,最大變形0.7454mm,由表2-3得知輪距為1565mm圖4-5最大牽引力工況應(yīng)力分布圖4-6最大牽引力工況位移圖由圖4-5可知,優(yōu)化后該工況σmax=184.2MPa,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在上板簧坐處,工程中對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼分析時(shí)通常取安全系數(shù)為1.5，對(duì)應(yīng)材料σ=230MPa,σmax<σ,強(qiáng)度合格。由圖4-6可知,最大變形2.168mm,由表2-3得知輪距為1565mm圖4-7最大側(cè)向力工況應(yīng)力分布圖4-8最大側(cè)向力工況位移分布由圖4-7可知,優(yōu)化后該工況σmax=186.2MPa,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在板簧坐接觸的橋殼處,工程中對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼分析時(shí)通常取安全系數(shù)為1.5，對(duì)應(yīng)材料σ=320MPa,σmax<σ,強(qiáng)度合格。由圖4-8可知,最大變形1.972mm,由表2-3得知輪距為1565mm優(yōu)化前最大應(yīng)力出現(xiàn)出現(xiàn)位置的最大應(yīng)力值在優(yōu)化后得以下降,模型安全性得到提高,并且最大變形量也滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，最大制動(dòng)力和最大側(cè)滑力工況在優(yōu)化前有很大一部分裕量，優(yōu)化后提高了其應(yīng)力利用率。4.3.2優(yōu)化后模態(tài)分析對(duì)優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行12階模態(tài)分析,其第7階到12階分析的結(jié)果如下圖4-9~4-14所示,固有頻率數(shù)值見表4-2。圖4-9第7階模態(tài)分析圖4-10第8階模態(tài)分析圖4-11第9階模態(tài)分析圖4-12第10階模態(tài)分析圖4-13第11階模態(tài)分析圖4-14第12階模態(tài)分析表4-2橋殼的固有頻率與振型階數(shù)頻率（Hz）振型描述7579.0Z向一階彎曲8890.4Y向一階彎曲9933.3Y向二階彎曲10938.3Z向二階彎曲11979.7Y向三階彎曲121003.9Y向三階復(fù)合彎曲由圖4-9~4-14和表4-2可知,優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)橋殼頻率較優(yōu)化前均有提高,這是由于驅(qū)動(dòng)橋殼整體的厚度下降,材料平均受到的激勵(lì)增大,其6階的固有頻率遠(yuǎn)大于路面作用的頻率50Hz,故優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)橋殼仍然滿足其動(dòng)力特性的要求,不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。4.3.3優(yōu)化后疲勞壽命分析循環(huán)載荷與優(yōu)化前一致,將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入到疲勞分析軟件nCodeDesignLife中,并設(shè)置材料的S-N曲線、載荷譜。得到了優(yōu)化后疲勞壽命圖，優(yōu)化后安全系數(shù)如圖4-15、4-16所示。4-15優(yōu)化后疲勞壽命圖4-16優(yōu)化后安全系數(shù)圖上述結(jié)果表明,優(yōu)化后橋殼疲勞壽命最小值為100萬次,遠(yuǎn)大于國(guó)家規(guī)定的驅(qū)動(dòng)橋殼中值疲勞壽命80萬次,優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)橋殼疲勞壽命符合標(biāo)準(zhǔn)要求。優(yōu)化后的安全系數(shù)為1.2983，相比于優(yōu)化前的安全系數(shù)有所提高，大于1，優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)橋殼安全系數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。4.4本章小結(jié)（1）對(duì)厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量，約束條件，優(yōu)化原理進(jìn)行說明，利用HyperMesh內(nèi)的optimizaition求解器，使用尺寸優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)橋殼輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化,六次迭代后得到最優(yōu)解,其質(zhì)量由11.2kg優(yōu)化至4.43kg,減少了6.77kg,減重達(dá)到60%。（2）將優(yōu)化后數(shù)據(jù)重新賦予到原始的有限元模型的屬性中,靜力學(xué)分析結(jié)果表明優(yōu)化后的應(yīng)力和變形均滿足靜力學(xué)特征和相關(guān)規(guī)定，并且相比于優(yōu)化前還得到了提高，12階模態(tài)分析結(jié)果表明輕量化之后的驅(qū)動(dòng)橋殼滿足動(dòng)力學(xué)特性；疲勞分析結(jié)果表明優(yōu)化后橋殼的疲勞壽命滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且安全系數(shù)相比于優(yōu)化前也有所提高。第5章經(jīng)濟(jì)性可行性分析報(bào)告5.1項(xiàng)目生產(chǎn)規(guī)模從項(xiàng)目的生產(chǎn)來說，和汽車目前市場(chǎng)多數(shù)的車相同，驅(qū)動(dòng)橋殼屬于汽車底盤的重要零部件之一，從生產(chǎn)成本來說，驅(qū)動(dòng)橋殼可以優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，不必直接確定全部的精確值，但是能夠使用一些變量約束來實(shí)行尺寸調(diào)整，這種參數(shù)化就是工廠尺寸調(diào)整。以及之后的產(chǎn)品生產(chǎn)提供良好的發(fā)展基礎(chǔ)。對(duì)于工廠的生產(chǎn)規(guī)模來說，可以應(yīng)用參數(shù)化到很多的不同種類的汽車上。不僅可以大幅度降低運(yùn)行成本，同時(shí)也并不會(huì)增加汽車的總體成本。5.2經(jīng)濟(jì)可行性分析某輕型越野汽車后橋殼的輕量化設(shè)計(jì)會(huì)增加一定的費(fèi)用。但是部件的購買價(jià)格加上越野車的制造遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)形式下橋殼生產(chǎn)的價(jià)格以及其他相似部件的價(jià)格。所以，某輕型越野汽車型后橋殼的生產(chǎn)費(fèi)用和生產(chǎn)制造所需要消費(fèi)的總費(fèi)用相比更低，能耗費(fèi)用和更低，同時(shí)也更加環(huán)保。某輕型越野汽車的后橋殼造價(jià)400元-1000元左右。這就決定了設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)有效，同時(shí)也可以節(jié)約成本。驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及焊接工藝，隨著機(jī)械工業(yè)的加深，可以加強(qiáng)芯部的韌性，還可以強(qiáng)化硬化層的深度?？梢约娱L(zhǎng)使用壽命，一定程度上更加加強(qiáng)了投入產(chǎn)出比。主設(shè)計(jì)總成本價(jià)格為：400元-1000元左右。下面根據(jù)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行計(jì)算的投入產(chǎn)出比模擬計(jì)算：1.第一年的投入和產(chǎn)出（1）資金投入3800萬元·所需總發(fā)行量：（8963萬元/10個(gè)月）×2倍=17926000元（資金周轉(zhuǎn)為60天）；4500平方米廠房租金：每平方米10元，共需48萬元首付。首年引進(jìn)人工組裝線，投資500萬元購買測(cè)試設(shè)備及配套設(shè)備。初期研發(fā)投入：200萬元。模具資金投入：400萬元。第一年風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)備金：500萬元。（2）資金來源募集資金：3500萬元，地區(qū)組織出資：500萬元，主要用于提供廠外資金和維修用品，平均每人15萬元。政府科技經(jīng)費(fèi)：600萬元。（3）成本結(jié)構(gòu)銷售費(fèi)用：第一年銷售額的10%，共計(jì)19.2億元。管理費(fèi)：500萬元。這包括在流程穩(wěn)定之前損失有缺陷的和相關(guān)的消耗品以及大量購買辦公消耗品。第一年銷售1萬個(gè)橋殼，銷售額1.92億元，總成本（含材料費(fèi)及傭金）59%，11328萬元。稅金2073.6萬元，利潤(rùn)3378.4萬元。2.第二年投入產(chǎn)出（1）基金投資6000萬元，所需流動(dòng)資金總額：（3168萬元/10個(gè)月）×2倍=4752萬元（45天資金周轉(zhuǎn)）；購地40公頃，建廠房6000平方米。共需1000萬元。第二年引進(jìn)半電動(dòng)流水線，投資200萬元購置檢測(cè)設(shè)備及輔助設(shè)備。模具資金投入：100萬元。（2）資金來源8000萬元，自籌資金：6378萬元，區(qū)域代理保釋金：800萬元。增加的300萬元主要用于賬外資助和維修用品補(bǔ)貼，平均每人20萬元。政府技術(shù)補(bǔ)貼：500萬元（3）成本結(jié)構(gòu)銷售費(fèi)用：第二年銷售額的6%，共計(jì)3287萬元。管理費(fèi)：600萬元。這包括購買工廠和辦公室裝飾品和辦公用品。物業(yè)、廠房及設(shè)備折舊：150萬元。成本負(fù)擔(dān)：75萬元。第二年，將能夠銷售3萬輛越野汽車和6萬個(gè)驅(qū)動(dòng)橋殼。結(jié)果是3.21億元?？偝杀?6%（下降4%），合計(jì)21689萬元，稅金16843萬元，利潤(rùn)8521萬元，其中資本金2000萬元，可直接返還用戶892萬元，售價(jià)減少2%。以上是兩年內(nèi)項(xiàng)目成功率大小以及經(jīng)濟(jì)效益的預(yù)算目標(biāo)，因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系，后續(xù)項(xiàng)目可行性以及經(jīng)濟(jì)效益分析有待驗(yàn)證。5.3社會(huì)效益我國(guó)的人口基數(shù)較大，這就決定了我國(guó)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的生產(chǎn)具備較大優(yōu)勢(shì)。除去越野車的驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)成本來說，我國(guó)同時(shí)也具備良好的原材料。同時(shí)我國(guó)的稀土資源豐富，同時(shí)具備大量勞動(dòng)力。我國(guó)的驅(qū)動(dòng)橋殼后續(xù)的研發(fā)和生產(chǎn)來說，我國(guó)專業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)較多，專業(yè)知識(shí)較強(qiáng)，質(zhì)量更高，成本更低，結(jié)合這些優(yōu)勢(shì)，普通以及輕量?jī)?yōu)化驅(qū)動(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)在我國(guó)越野車市場(chǎng)內(nèi)的應(yīng)用范圍同時(shí)也會(huì)更廣。驅(qū)動(dòng)橋殼形式選取整體式,整體式形式的特點(diǎn)就是以一根空心的梁和橋殼的殼體以及減速器的殼體這三大部分加起來作為一整個(gè)橋殼。這種形式可以有效地提高整體的剛度以及強(qiáng)度,并且能夠?yàn)橹鳒p速器在后期的拆卸和安裝過程提供較大的便利,調(diào)整的難度也會(huì)隨之下降。如果按照制造工藝來分類的話,我們對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼所選取的整體式方式有三種方式：鑄造式,鋼板沖壓焊接式和擴(kuò)張成形。時(shí)至今日,鋼板沖壓焊接式這種制造工藝,在我國(guó)幾乎所有微型車都會(huì)運(yùn)用。驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)的結(jié)構(gòu)和材料隨著機(jī)械工業(yè)的加深，可以加強(qiáng)芯部的韌性，還可以強(qiáng)化硬化層的深度。可以加長(zhǎng)使用壽命，一定程度上加強(qiáng)了投入產(chǎn)出比。但是由于橋殼制造原材料是有色金屬、冶金和稀有土壤，這些資源目前在全球范圍內(nèi)屬于稀有資源，儲(chǔ)量并不大，所以價(jià)格可能稍微會(huì)提高成本。同時(shí)，因?yàn)樵揭败嚨闹圃斐杀颈容^高，導(dǎo)致橋殼的設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)容易受到影響。結(jié)論本文對(duì)某輕型越野車后橋殼總成進(jìn)行了分析和計(jì)算,通過有限元分析的方法對(duì)其進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析和疲勞分析,針對(duì)分析后符合標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行了尺寸優(yōu)化,然后將優(yōu)化后得到的新的尺寸數(shù)據(jù)更新到驅(qū)動(dòng)橋殼中,對(duì)輕量化后的驅(qū)動(dòng)橋殼模型進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、疲勞分析得到以下結(jié)論：（1） 針對(duì)四種主要工況進(jìn)行了受力分析