基于solidworks 汽車驅(qū)動橋有限元分析【說明書+SOLIDWORKS】

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T h e c o m p o n e n t s s t r e s s a n d t h e d i s t o r t i o n d i s t r i b u t i o n a r e o b t a i n e d a n d t h e d e s i g n r a t i o n a l i t y i s c o n f i r m e d . T h e r e l a t e d d a t a c a n b e p r o v i d - e d f o r t h e a u t o m o b i l e d r i v i n g a x l e i n t e n s i t y a p p r a i s a l a n d t h e f a t i g u e l i f e e s t i m a t e . K e y W o r d s : a x l e h o u s i n g ; t r u c k ; a n a l y s i s 收 稿 日 期 : 2 0 0 6 - 0 7 - 1 1 作 者 簡 介 : 楊 朝 會 ( 1 9 8 2 - ) , 男 , 山 東 梁 山 人 , 在 讀 碩 士 , 主 要 從 事 車 輛 與 交 通 安 全 方 面 的 研 究 。 農(nóng) 業(yè) 裝 備 與 車 輛 工 程 A G R I C U L T U R A L E Q U I P M E N T 而 沿 左 右 輪 胎 的 中 心 線 , 由 于 汽 車 的 簧 上 載 荷 F 及 車 輪 重 力 g W 等 的 作 用 , 地 面 給 輪 胎 以 反 力 G 2 / 2 ( 雙 輪 胎 時 則 沿 雙 胎 之 中 心 ) ; 橋 殼 則 承 受 此 反 力 與 車 輪 重 力 g W 之 差 值 , 即 ( G 2 / 2 - g W ) , 受 力 簡 圖 如 圖 1 所 示 。 其 中 , G 2 取 為 汽 車 滿 載 靜 止 于 水 平 路 面 時 驅(qū) 動 橋 施 加 給 地 面 的 載 荷 , B 為 驅(qū) 動 車 輪 輪 距 , S 為 驅(qū) 動 橋 殼 上 兩 鋼 板 彈 簧 座 中 心 間 的 距 離 。 對 橋 殼 進 行 強 度 分 析 時 , 將 橋 殼 復 雜 的 受 力 狀 況 簡 化 成 三 種 典 型 的 計 算 工 況 , 即 : 車 輪 承 受 最 大 鉛 垂 力 ( 當 汽 車 滿 載 并 行 駛 于 不 平 路 面 , 受 沖 力 載 荷 ) ; 車 輪 承 受 最 大 切 向 力 ( 當 汽 車 滿 載 并 以 最 大 牽 引 力 行 駛 和 緊 急 制 動 ) ; 車 輪 承 受 最 大 側(cè) 向 力 ( 當 汽 車 滿 載 側(cè) 滑 ) 。 只 要 在 這 三 種 載 荷 計 算 工 況 下 橋 殼 的 強 度 得 到 保 證 , 就 可 認 為 該 殼 橋 在 汽 車 各 種 行 駛 條 件 下 是 可 靠 的 。 圖 1 驅(qū) 動 橋 殼 靜 力 簡 圖 G 2 2 G 2 2 1 9 2 0 0 6 年 第 1 0 期 農(nóng) 業(yè) 裝 備 與 車 輛 工 程 根 據(jù) 力 學 分 析 和 計 算 可 知 : ( 1 ) 車 輪 承 受 最 大 鉛 垂 力 時 , 危 險 斷 面 在 鋼 板 彈 簧 座 附 近 , 此 時 的 彎 曲 應 力 W d 可 由 靜 彎 曲 應 力 W j 計 算 得 出 , 即 : W d = k d W j = k d G 2 ( B - s ) 4 W V ( 2 ) 車 輪 承 受 最 大 切 向 力 時 , 危 險 斷 面 在 橋 殼 鋼 板 彈 簧 座 附 近 , 在 該 斷 面 處 的 彎 曲 應 力 W 和 扭 轉(zhuǎn) 應 力 分 別 為 : W = M V W V + M h W h = B - s 4 G 2 m W V + P m a x W h ! = T W t = P m a x r r 2 W t ( 3 ) 車 輪 承 受 最 大 側(cè) 向 力 時 , 輪 轂 內(nèi) 軸 承 的 內(nèi) 端 為 危 險 斷 面 , 該 端 面 處 的 彎 曲 應 力 w A 和 剪 切 應 力 A 分 別 為 : w A = S 2 R ( a + b ) W V A = S 2 R 4 D 2 - d 2 ! 以 上 各 式 中 : m 汽 車 加 速 或 制 動 時 的 質(zhì) 量 轉(zhuǎn) 移 系 數(shù) ; P m a x 地 面 對 車 輪 的 的 最 大 切 向 反 作 用 力 ; r r 驅(qū) 動 車 輪 的 滾 動 半 徑 ; S 2 R 側(cè) 滑 方 向 的 輪 轂 外 軸 承 徑 向 支 承 力 ; a , b 輪 轂 上 的 內(nèi) 外 軸 承 寬 度 ; d , D 計 算 斷 面 的 內(nèi) 、 外 直 徑 ; k d 動 載 荷 系 數(shù) , 對 轎 車 、 客 車 取 1 . 7 5 , 對 載 貨 汽 車 取 2 . 5 , 對 越 野 汽 車 取 3 . 0 ; T 兩 鋼 板 彈 簧 座 間 橋 殼 承 受 的 轉(zhuǎn) 矩 ; W V , M h 分 別 為 橋 殼 在 兩 鋼 板 彈 簧 座 之 間 的 垂 向 彎 矩 和 水 平 彎 矩 ; W V , W h , W t 分 別 為 橋 殼 在 危 險 斷 面 處 的 垂 向 彎 曲 截 面 系 數(shù) 、 水 平 彎 曲 截 面 系 數(shù) 和 扭 轉(zhuǎn) 截 面 系 數(shù) 。 上 述 傳 統(tǒng) 的 橋 殼 強 度 計 算 方 法 , 只 給 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 適 用 于 對 橋 殼 強 度 的 驗 算 或 與 其 它 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 。 2 有 限 元 模 型 的 建 立 有 限 單 元 法 的 基 本 思 想 是 “ 離 散 化 ” 。 有 限 單 元 法 將 被 分 析 的 對 象 ( 例 如 一 個 彈 性 體 或 一 個 機 械 結(jié) 構(gòu) ) 視 為 有 限 多 個 僅 在 節(jié) 點 處 互 相 連 接 的 單 元 , 對 不 同 的 單 元 分 別 假 設(shè) 不 同 的 內(nèi) 部 位 移 模 式 , 并 用 節(jié) 點 位 移 來 描 述 。 這 樣 , 我 們 只 需 對 構(gòu) 成 分 析 對 象 的 節(jié) 點 位 移 求 解 , 就 可 以 求 得 單 元 的 變 形 和 應 力 , 而 不 必 對 彈 性 體 的 無 限 域 求 解 。 常 規(guī) 有 限 元 分 析 時 , 通 常 要 將 研 究 對 象 理 想 化 , 在 進 行 車 橋 有 限 元 分 析 時 所 做 的 假 設(shè) 為 : ( 1 ) 不 考 慮 焊 接 處 材 料 特 性 的 變 化 ; ( 2 ) 橋 殼 結(jié) 構(gòu) 的 材 料 為 均 質(zhì) 材 料 且 各 向 同 性 。 由 于 橋 殼 幾 何 模 型 的 復 雜 性 , 在 不 影 響 受 力 分 析 的 前 提 下 對 驅(qū) 動 橋 殼 實 體 做 必 要 簡 化 , 略 去 鋼 板 彈 簧 緊 固 用 U 型 螺 栓 對 橋 殼 下 半 周 的 約 束 作 用 , 除 去 受 力 小 而 引 起 截 面 突 變 的 材 料 , 用 分 布 力 代 替 軸 承 對 橋 殼 的 作 用 力 。 考 慮 到 橋 殼 存 在 不 規(guī) 則 曲 面 , 先 利 用 三 維 實 體 建 模 軟 件 P r o / E 進 行 實 體 建 模 , 然 后 利 用 有 限 元 分 析 軟 件 A N S Y S 中 數(shù) 據(jù) 輸 入 接 口 讀 入 實 體 模 型 。 該 模 型 計 算 時 采 用 有 限 元 單 元 為 三 邊 形 S H E L L 6 3 , 該 單 元 能 較 好 地 描 述 橋 殼 的 幾 何 形 狀 、 計 算 位 移 及 應 力 , 且 該 單 元 具 有 較 高 的 精 度 。 每 個 節(jié) 點 有 六 個 自 由 度 : x 、 y 、 z 方 向 的 平 動 和 繞 x 、 y 、 z 的 轉(zhuǎn) 動 。 對 整 個 橋 殼 結(jié) 構(gòu) 采 用 分 塊 劃 分 的 原 則 進 行 有 限 元 網(wǎng) 格 劃 分 。 根 據(jù) 上 述 原 則 , 設(shè) 計 出 如 圖 2 橋 殼 網(wǎng) 格 模 型 , 整 個 模 型 共 生 成 1 1 0 3 8 個 節(jié) 點 和 2 1 6 7 2 個 單 元 。 3 橋 殼 有 限 元 模 型 分 析 設(shè) 計 載 貨 汽 車 滿 載 軸 荷 為 1 3 t , 輪 距 為 1 8 4 7 m m , 板 簧 間 距 為 1 3 5 0 m m , 板 簧 座 上 表 面 面 積 為 1 6 7 4 4 m m 2 。 橋 殼 主 體 材 料 采 用 通 用 低 合 金 高 強 度 結(jié) 構(gòu) 鋼 , 材 料 的 屈 服 極 限 強 度 為 3 4 5 M P a ; 外 端 插 入 的 輪 轂 軸 管 材 料 為 合 金 結(jié) 構(gòu) 鋼 , 材 料 的 屈 服 極 限 強 度 為 7 8 5 M P a 。 兩 種 材 料 具 有 相 同 的 的 彈 性 模 量 和 泊 松 比 , 其 值 為 : 彈 性 模 量 E = 2 . 0 6 1 0 5 M P a , 泊 松 比 = 0 . 3 。 在 對 該 橋 殼 進 行 有 限 元 模 型 分 析 時 , 對 于 靜 力 學 分 析 的 最 大 鉛 垂 力 和 最 大 切 向 力 兩 種 工 況 , 約 束 圖 2 網(wǎng) 格 化 后 橋 殼 有 限 元 模 型 2 0 2 0 0 6 年 1 0 月 加 在 每 側(cè) 車 輪 中 線 附 近 , 模 擬 兩 端 簡 支 支 承 。 最 大 側(cè) 向 力 工 況 時 , 約 束 加 在 側(cè) 翻 一 側(cè) 的 車 輪 中 線 附 近 , 支 承 為 固 定 支 承 。 上 述 的 約 束 處 理 會 使 安 裝 輪 轂 軸 承 附 近 的 應 力 與 實 際 情 況 有 差 別 , 但 不 會 影 響 橋 殼 其 它 部 位 的 應 力 分 布 。 3 . 1 橋 殼 承 受 最 大 鉛 垂 力 工 況 分 析 對 橋 殼 承 受 最 大 鉛 垂 力 ( 即 沖 擊 載 荷 , 按 2 . 5 倍 滿 載 軸 荷 ) 工 況 下 , 對 該 橋 殼 作 變 形 和 應 力 分 析 。 圖 3 、 圖 4 分 別 為 沖 擊 載 荷 作 用 下 的 橋 殼 應 力 和 整 體 變 形 圖 。 其 變 形 和 應 力 分 析 結(jié) 果 為 : ( 1 ) 變 形 分 析 橋 殼 在 沖 擊 載 荷 作 用 下 整 體 變 形 、 軸 向 變 形 、 垂 向 變 形 和 縱 向 變 形 均 與 滿 載 工 況 時 相 似 。 其 最 大 軸 向 位 移 為 0 . 2 4 2 m m , 最 大 垂 向 位 移 為 1 . 6 2 9 m m 。 ( 2 ) 應 力 分 析 在 沖 擊 荷 載 作 用 下 , 其 最 大 應 力 值 為 1 9 4 M P a , 發(fā) 生 在 鋼 板 彈 簧 座 附 近 。 大 部 分 部 位 的 應 力 值 在 2 4 - 4 8 M P a 之 間 , 應 力 集 中 部 位 的 應 力 值 大 約 在 9 6 M P a 左 右 。 3 . 2 橋 殼 總 體 分 析 按 照 對 橋 殼 承 受 最 大 鉛 垂 力 工 況 的 分 析 步 驟 和 方 法 , 對 其 他 兩 種 工 況 進 行 分 析 , 可 得 出 如 下 結(jié) 論 : ( 1 ) 變 形 分 析 橋 殼 軸 向 最 大 位 移 發(fā) 生 在 汽 車 受 沖 擊 載 荷 作 用 時 , 大 小 為 0 . 2 4 2 m m ; 橋 殼 垂 向 最 大 位 移 發(fā) 生 在 汽 車 受 沖 擊 載 荷 作 用 時 , 兩 端 與 中 央 的 最 大 相 對 位 移 為 1 . 6 2 9 m m ; 橋 殼 縱 向 最 大 位 移 發(fā) 生 在 汽 車 以 最 大 牽 引 力 行 駛 時 , 兩 端 與 中 央 沿 縱 向 的 最 大 相 對 位 移 為 1 . 1 8 6 m m 。 橋 殼 的 位 移 變 形 符 合 汽 車 驅(qū) 動 橋 臺 架 實 驗 評 價 指 標 ( Q C / T 5 3 4 - 1 9 9 9 ) 要 求 的 每 米 輪 距 最 大 變 形 小 于 1 . 5 m m 。 ( 2 ) 應 力 分 析 在 汽 車 側(cè) 翻 的 臨 界 狀 況 時 , 輪 轂 內(nèi) 軸 承 內(nèi) 側(cè) 位 置 存 在 著 最 大 應 力 , 其 值 為 5 0 3 M P a , 小 于 輪 轂 軸 管 材 料 的 屈 服 強 度 7 8 5 M p a ; 在 沖 擊 載 荷 作 用 下 , 最 大 應 力 發(fā) 生 在 橋 殼 鋼 板 彈 簧 座 附 近 , 其 值 為 1 9 4 M p a , 小 于 橋 殼 材 料 的 屈 服 強 度 3 4 5 M p a 。 橋 殼 的 強 度 符 合 要 求 。 根 據(jù) 以 上 結(jié) 論 可 知 , 該 橋 殼 的 強 度 和 變 形 均 符 合 要 求 。 5 結(jié) 束 語 通 過 有 限 元 模 擬 方 法 , 分 析 了 汽 車 驅(qū) 動 橋 殼 在 不 同 工 況 下 對 應 的 應 力 和 變 形 , 為 汽 車 驅(qū) 動 橋 的 強 度 評 價 及 疲 勞 壽 命 估 算 提 供 了 所 需 數(shù) 據(jù) , 也 為 汽 車 安 全 運 行 提 供 了 必 須 的 依 據(jù) 。 同 時 , 有 限 元 方 法 的 利 用 , 可 以 降 低 設(shè) 計 開 發(fā) 成 本 、 縮 短 設(shè) 計 開 發(fā) 周 期 、 提 高 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 。 參 考 文 獻 1 褚 志 剛 等 . 汽 車 驅(qū) 動 橋 殼 結(jié) 構(gòu) 破 壞 機 理 分 析 研 究 J . 汽 車 研 究 與 開 發(fā) . 2 0 0 1 ( 6 ) . 2 劉 惟 信 編 著 . 汽 車 車 橋 設(shè) 計 M . 北 京 : 清 華 大 學 出 版 社 , 2 0 0 4 . 3 龔 曙 光 , A N S Y S 工 程 應 用 實 例 解 析 M . 北 京 : 機 械 工 業(yè) 出 版 社 , 2 0 0 3 . 4 鄭 燕 萍 等 , 汽 車 驅(qū) 動 橋 殼 臺 架 實 驗 的 有 限 元 模 擬 J . 南 京 林 業(yè) 大 學 學 報 . 2 0 0 4 ( 7 ) . 圖 3 沖 擊 荷 載 作 用 下 橋 殼 應 力 圖 ( P a ) 圖 4 沖 擊 荷 載 作 用 下 橋 殼 整 體 變 形 楊 朝 會 等 : 基 于 有 限 元 方 法 的 載 貨 汽 車 驅(qū) 動 橋 殼 分 析 2 1