基于Workbench对驱动桥壳进行设计及 有限元分析外文翻译资料

 2022-08-10 04:08

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基于Workbench对驱动桥壳进行设计及

有限元分析

摘要:利用Solidworks软件建立驱动桥的三维实体模型,然后利用Solidworks与有限元分析的接口连接,将驱动桥的三维实体模型置入有限元分析软件;在有限元分析软件模块Workbench上对汽车驱动桥进行静态分析。结果表明,所建立的汽车驱动桥壳模型具有良好的力学性能,为汽车驱动桥的生产提供了试验数据。

关键词:驱动桥壳;ANSYS;啮合;Workbench

1.介绍

随着“十二五”规划对高新技术产业的大力投资,我国汽车产业作为综合性高新技术产业得到了快速发展。驱动桥在汽车零部件的许多零部件中占有相当重要的地位,它承受着道路与汽车悬架之间各种复杂的力和力矩,在汽车零部件中处于最恶劣的工作条件下。如果设计不当,将会导致严重的后果。注重并加快汽车驱动桥的改进、稳定创新,提高产品质量以满足客户需求,这对加快汽车制造业的发展具有重要意义。本文在了解国内外汽车驱动桥外壳的前提下。利用Solidworks软件对典型的驱动桥进行三维建模,然后利用ANSYS的Workbench模块对驱动桥壳进行模拟实验,在不进行物理实验的基础上,提供驱动桥壳的实际生产数据,不仅节省了材料,同时也节省了驱动桥壳的生产成本。

2.建立驱动桥壳的力学模型

2.1 .驱动桥壳的选择

桥壳按结构型式可分为三种类型。如分段式、整体式、组合式。

整体式桥壳的特点是整个桥壳构成一个整体,就像整个桥的空心壳梁一样,它的强度和刚度都比较好。而桥壳和主减速器壳又分为两个主体,主减速器和差速器是独立的,主齿轮安装在壳上形成独立的总成,将其放置在前桥壳上将桥中间放入壳体调整后,与桥壳用螺栓连接在一起。使主齿轮箱和差动机构的拆卸、调整、维修和保养变得容易。[1]

综合以上优点,我们选择整体式桥壳作为研究对象。

2.2建立驱动桥壳体的三维实体模型

利用Solidworks软件创建驱动桥的三维结构模型,首先要创建一个零件模型,然后将驱动桥零件进行集合装配,装配过程主要用于匹配和对齐两种约束关系。三维虚拟驱动桥总成以壳体为最终驱动总成的基体,通过缩放、旋转、移动等工具来检查总成是否存在问题。如果发现问题及时修改结构设计参数,具体驱动桥总成如图1所示。

图1.驱动桥壳装配图

3.建立驱动桥壳有限元模型

首先建立有限元模型进行有限元分析,其中包括建立Solidworks 驱动桥壳体模型,导入ANSYS WORKBENCH软件模块,对驱动桥壳体进行必要的校核和更换模态,然后开始网格化和添加材料特性,最后建立了驱动桥壳的有限元模型。

利用建立的驱动桥桥壳有限元模型,使用ANSYS WORKBENCH软件模块对驱动桥桥壳模型进行静强度分析,通过强大的有限元仿真计算;分析驱动桥壳的结构性能。具体的有限元模型驱动桥设计步骤如下。

3.1将Solidworks工艺在ANSYS WORKBENCH中的改进

Solidworks和ANSYS指定的常用文件格式有IGES、PARASOLID、ACIS等文件格式。

由于PARASOLID格式具有良好的实质性,不会缺少相关的模型特性,所以本文以PARASOLID格式为例。

具体导入步骤如下:

(1)启动Solidworks三维建模软件,打开三维实体模型的驱动桥壳。

(2)在文件中打开Solidworks软件→另存为→弹出另存为对话框→选择PARASOLID格式(文件扩展名为x_t)→输入保存路径和文件名→点击确定→完成从SLDPRT到PARASOLID的格式转换。

(3)启动ANSYS WORKBENCH软件模块,从文件中选择导入,打开文件转换对话框。

建立驱动桥壳的几何模型,根据驱动桥壳的结构和工作特性,为了减少计算量,同时保持其在相同条件下的力学性能,简化必要的驱动桥壳结构:

(1) 在轴壳结构周围形成直角不仅有利于简化建模,而且有利于建立有限元模型提取截面的过程,以便于使用壳单元进行啮合使用;

(2)忽略填料、油口、开槽中心轴箱、孔中心弹簧座等几何特征;

(3)简化了受力,但有一小部分是由于横截面的突变造成的,如忽略桥管台阶、桥管套管的直径和桥轴承两端的台阶;

(4) 假设部分结构具有不等厚变为等厚,以便于截面位置的确定。由于驱动桥壳的造型是近似对称的,所以整体思路是先建立左半部分的造型模型,然后通过建立完整的几何模型对称性,最终完成公共局部特征。

在建立驱动桥壳的几何模型时,直接利用曲面几何建立驱动桥壳的几何模型,即简化了驱动桥壳的几何模型,也无需在有限元软件中进行前后处理来提取曲面的加工步骤,节省时间,提高工作效率。

3.2定义元素类型

Solid187是由10个节点四面体实体元素构成的三维结构,可用于生成不规则网格模型(各种CAD / CAM系统生成的模型)。单位由10个节点定义,每个节点在XYZ方向上有3个平移自由度。Solid187空间中任意方向具有各向异性的单元支撑自动单元选择技术,具有塑性、蠕变、钢材应用、形变性能强和应变能力强。

图2、Solid187的元素类型

3.3选择材料并定义其属性

此材料选用16Mn,具体材料性能如表1所示。

名称

材料

弹性模量

(Mpa)

泊松比

密度

屈服强度

(Mpa)

驱动桥壳

16Mn

0.3

320

表1.驱动桥壳体材料属性表[3]

驱动桥壳材料的具体定义如下:(1)在ANSYS Workbench的工程数据窗口中添加新材料并定义文件的名称为My_new_material,填写相应的对话框的弹性模量、泊松比、密度等参数(表1),然然后返回到“机械”窗口,选择“Proejectgt;几何体gt;实体”,在左边的底部属性对话框,选择材质,然后点击小箭头选择刚刚定义好的材质。[2]

3.4啮合

在驱动桥啮合时,要考虑实际生产中的经济性和现实性,需要根据以下原则进行划分:

(1)所选元件类型在无电源状态下不能产生畸变现象;

(2)机械结构应满足精度分析的要求,尽量简化结构;

(3)可采用对称性、重复性,节省计算机内存和计算时间,必要时可采用对称性和机械零件重复性功能;

(4)选择合适的数学模型,在保证计算和分析的准确性的基础上,尽量减少计算时间和成本。

下图为驱动桥啮合示意图。共有47310个节点,共有24003个单元。

图3.驱动桥壳体的啮合

3.5施加位移、约束和荷载

本文仅在承受静载荷的情况下,当车辆静止在路面的水平面上时,车辆驱动桥所受的力如图4所示。

由传动轴带动轮轴轴承,从轴承上带动车轮。此时,板簧的轴套上承载着汽车的全部重量。沿桥壳中心线两侧轮胎,轮胎对地面有反作用力,大小为G2/ 2。因此,轴壳承受地面的反作用力和车轮尺寸之间的重力差gw,公式为(G2-gw)。因此,在车内静载荷作用下,轴板两端弹簧座之间的弯矩为:

G2——满载汽车静止在水平路面上的重力,N;

gw——车轮重力(包括车轮、刹车等),N;

B ——轮距,m;

S ——驱动桥弹簧座在两个钢板中心之间的距离,m;

Fs ——受力图中轴的静弯曲应力的力值,s。[4]

图4.桥梁静力弯曲应力的壳层图

根据台架试验的约束性要求,我们在ANSYS Workbench上进行了轴边界条件的有限元分析;轴壳两端为Y、Z方向的自由度约束,X轴方向的末端即取Y、Z轴相交的末端,作为X、Y、Z方向的各个自由度的约束。实验台如图5所示。图5.驱动桥壳台架试验

电液伺服控制系统

力传感 器

试样nt

传动螺 钉

入口框 架

固定装置

最大载荷按照QC / T533-1999规定的疲劳试验标准,当试验车辆为二手车时,按驱动桥载荷2.5倍全轴负荷计算,最小负荷按0.5倍的全轴负荷计算。最大后桥负载24,100N,路径1200mm,弹簧板座椅距离900mm,厂家提供全轴重24,100N,分别采用表面力法将弹压板应用到坐下来的部分轴承座上。选择荷载gt;远程力,按力选择参考平面,指定点坐标位置,X=-616mm,荷载类型分量,负方向沿Y轴方向,大小24,100N。同样,荷载可以对称施加,选择参考受力平面,并指定点坐标的位置,X=-616mm,荷载类型,方向沿-Y轴方向,大小为24,100N。如图6所示。

(1)选择负载gt;远程力;

(2)选择参考力面,指定点坐标位置,X = 616mm,荷载类型分量,方向沿y轴方向,大小24100N;

(3) 同样,可以对称施加荷载,选择参考受力平面,并指定点坐标的位置,X=-616mm,荷载构件类型,沿Y轴方向,大小为24100。具体情况如图6所示。[2]

图6.对驱动桥壳载荷进行约束和加载

3.6结构静力分析

(1)求解设定的参数,设定所需要解决的物理问题

①选择 形变gt;总体;

②选择 应力gt;等效值(Von Mises);

(2)解决

①选择解决方案并选择实体选择模式;

②单击鼠标右键gt;插入gt;应力gt;等效(Von-Mises)(应力和变形贴图)

③单击鼠标右键gt;总形变(形变)结果;

④单击“求解”进行求解。驱动桥的应力如图7所示。

(a)位移图

(b)应力图

图7.7毫米厚度驱动桥壳体的应力和位移图

对驱动桥壳厚度分别从7mm、8mm和9mm在不同工况和载荷下进行了分析,总结如下表,从表中可以看出驱动桥壳的性能达到了QC/T 533-1999的要求,按照国家标准,在满载时,轴的最大变形不超过1.5mm/m;承受2.5倍满载时轴的载荷,轴壳和塑性变形不能断裂。根据建立的有限元分析模型,计算出各构件在轴重为2.5倍时的满载位移和应力情况。计算为:最大位移1.0086mm;车轴与驱动桥壳管接头处最大应力,最大应力604.1MPa[4]。

桥壳厚度(mm)

7

8

9

条件1

全轴载荷(N)

24110

25100

26200

条件2

轴负载为满载的2.5倍(N)

60275

62750

65500

满载时的最大位移(mm)

1.0086

1.0500

1.0960

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