基于ug的驱动桥壳参数化建模及分析过程.doc

基于UG的NJ1040驱动桥壳参数化建模方法和步骤南京林业大学机械电子工程学院一、UG各功能模块介绍UG的各功能是靠各功能模块来实现的，有不同的功能模块，来实现不同的用途，从而支持其强大的Unigraphics 三维软件。下面简要介绍本文用到的模块。1 CAD模块1.1 UG/Gateway (入口) 提供一个Unigraphics基础，UG/Gateway在一个易于使用的基于Motif环境中形成连接所有UG模块的底层结构，它支持关键操作，包括打开已存的UG部件文件，建立新的部件文件，绘制工程图和屏幕布局以及读入和写出CGM等，也提供层控制，视图定义和屏幕布局，对象信息和分析，显示控制，存取“帮助”系统，隐藏/再现对象和实体和曲面模型的着色。UG/Gateway包括一个没有限制的高分率的绘图仪许用权，模块也提供一个现代化的电子表格应用，构造和管理零件家族并操纵部件间表达式。它由相关的解析方案，扩充的模型易于进行设计，标准的桌面查找功能提供一个简单的基于知识工程技术的执行方法，UG/Gateway是对所有其它Unigraphics 应用的必要基础。1.2 UG/Solid Modeling (实体建模)提供业界最强的复合建模功能。UG/Solid Modeling无缝地集成基于约束的特征建模和显式几何建模，用户可以取得集成于一个高级的基于特征环境内的传统实体，曲线和线框建模的功能，UG/Solid Modeling使用户能够方便地建立二维和三维线框模型，扫描和旋转实体，布尔运算及进行参数化编辑，包括对快速和有效的概念设计的变量化的草图绘制工具以及更通用的建模和编辑任务的工具，模块的易于了解和基于图符的图形环境是同一基础，从那里，所有其它建模模块被存取与操作，UG/Solid Modeling 是对UG/Feature Modeling和UG/Freeform Modeling两者的必要基础。1.3 UG/Features Modeling (特征建模)这个模块提高了表达式的级别，因而设计可以在工程特征的意义中来定义，提供对建立和编辑标准设计特征的支持，包括几种变形的孔、键槽、型腔、凸垫、凸台及全集的圆柱、 块、锥、球、管道、杆、倒圆、倒角等等，也包括实体模型控空和建立薄壁对象，为了基于尺寸和位置的尺寸驱动编辑参数化地定义特征，已经存贮在一共同目录中的用户定义特征也可以添加到设计模型上，特征可以相对于任意一个其它特征或对象定位，也可以被引用阵列拷贝，以建立特征的相关集或是个别地定位或是在一个简单图案和阵列中定位。1.4 UG/Freeform Modeling (自由形状建模)使得能够进行复杂自由形状的设计如机翼和进气道，以及工业设计的产品，UG/Freeform建模形成对合并实体和曲面建模技术到单个强大功能的工具集的基础，技术包括沿曲线的扫描，利用1，2和3个轨道方法比例地建立形状，从标准二次圆锥方法的放样体，圆形或锥形模截面的倒圆(圆角 )，在二个或更多的其它体间充顺桥接间隙的曲面，也支持通过一个曲线/点网格定义形状或对逆向工程任务通过点去拟合建立形状模型可以或通过修改定义的曲线，改变参数的数值，或通过利用图形的或数字的规律控制来进行编辑。例如，一个可变半径的倒圆或改变一个扫描的横截面积， 模型是与所有其它UG功能完全集成的，UG/Freeform Modeling也包括为评估复杂模型的形状、尺寸和曲率的易于使用的工具。1.5 UG/Drafting (制图)UG/Drafting使任一设计师、工程师或制图员能够以实体模型去绘制产品的工程图，基于Unigraphics的复合建模技术， UG/Drafting建立与几何模型相关的尺寸，确保在模型改变时，图将被更新，减少图更新所需的时间，视图包括消隐线和相关的横截面视图，当模型修改时也是自动地更新，自动的视图布局能力提供快速的图布局，包括正交视图投射，截视图，辅助视图和细节视图，UG/Drafting支持在主要业界制图标准，ANSI，ISO，DIN和JIS中图的建立，它由一完整的基于图符的图创建和注释工具，利用由UG/Assembly Modeling创建的装配信息方便地建立装配图，包括快速地建立装配分解视图的能力，无论是制作一单一片图或一多片细节的装配和组件工程图，UG/Drafting减少工程图生成的时间和成本。2 CAE模块2.1 UG/FEAUG/FEA是一个与UG/Scenario for FEA前处理和后处理功能紧密集成的有限元解算器，这些产品结合在一起为在Unigraphics环境内的建模与分析提供一个完整的解，UG/FEA 是基于世界领先的FEA程序- MSC/NASTRAN-它不仅仅在过去的三十年为有限元的精度和可靠性建立了标准，而且也在今天的动态产品开发环境中继续证明它的精度和有效性，MSC/ NASTRAN通过恒定地发展结构分析的最新分析功能和算法的优点，保持领先的FEA程序 。2.2 UG/Mechanism(机构)UG/Mechanism直接在Unigraphics内方便地进行模拟的任一实际二维或三维机构系统的复杂的运动学分析和设计仿真，用最小距离，干涉检测和跟踪轨迹包络选项，可以执行各种打包 (Packaging)研究，一种独特的交互运动学方式，允许同时控制最多五个运动付 ，用户可以分析反作用力，图示最终位移，速度和加速度，反作用力可以输入到FEA中，一个综合的机构运动元素库是有效的，几何体可以用于安放运动付和力，和定义凸轮的轮廓，UG/Mechanism使用嵌入的来自机构动力学公司(NDI)的ADAMS/Kinematics解算器，并对于更复杂的应用，可以为ADAMS/Solver, MDI的完全的动力学解算器，建立一个输入文件。3 UG的其它模块除了以上介绍的常用模块外，UG还有其他一些功能模块。如用于制造的CAM模块、用于钣金设计的板金模块（UG/Sheet Metal Design）、用于管路设计的管道与布线模块(UG/Routing、UG/ Harness)、供用户进行二次开发的，由UG/Open GRIP、UG/Open API和UG/Open+组成的UG开发模块（UG/Open）等等。以上总总模块构成了UG的强大功能。二、建模工具条简介1 成形特征片体加厚曲线成面拉伸体圆锥体基准轴体型腔孔草图圆柱体坐标系基准面平面凸垫圆台旋转体修剪和延伸2自由形式特征偏置曲面通过曲线转换桥接扫掠裁减的片体规律控制的延伸N边的曲面截型体通过曲线网格3 特征操作抽壳边缘圆角相交并缝合引用特征减裁减体倒角有限元模型检查4 结构创建报告划分网格编辑参数边界条件材料特性解算环境简化几何体更新有限元模型结果优化设置属性编辑器边面连接载荷三、 驱动桥壳建模详细过程1 后桥壳本体总成建模过程1. 双击桌面上的图标 ，进入UG.。2. 单击 ，出现对话框，如图31所示, 在“文件名”一栏输入“Che qiao”,单位接受默认的“毫米”，然后单击工具中的 。如图32所示。 图31 图323. 单击 , 单击 ，单击 ，进入草图模式，单击 ，画出一个矩形单击 ，进行倒圆角，单击角点，输入半径“22”，然后倒另一个角，半径“22”，单击 ，修剪草图，去掉上面横线，单击 、，进行尺寸标注、几何约束，标注如图33所示。单击 ，退出草图模式。图334. 单击 ，单击“方位”，出现“构造坐标系”，如图34所示。 图34 图35在“X-增量”输入“-542”，单击 ，完成坐标系的移动。5. 同步骤3绘出如图35的草图。6. 同步骤4，在“X-增量”输入“-80”，完成坐标系的移动。7. 单击 ，单击 ，单击 ，进入草图模式，单击 ，再单击 中的第二个按钮，以中心和端点画弧，把鼠标移至原点附近，使鼠标旁的输入框中的“XC、YC”后出现“0、0”，按回车键两次，在出现的“半径，扫掠角度”输入“55、180”回车，移动鼠标至左方，在出现红色水平箭头时，保证圆弧在坐标下方，单击两次左键，一次中键，完成圆弧的绘制。单击 、，进行尺寸标注、几何约束，标注如图36所示。图36单击 ，退出草图模式。8. 同步骤4，在“X-增量”输入“-41”，完成坐标系的移动。9. 同步骤7。10. 单击 ，单击“移至层”，出现“分类选择”对话框，如图37所示。 图37 图38 单击，出现“根据类型选择”对话框，如图38所示。选择“基准”，单击， 单击，出现“层移动”对话框，如图39所示。 图39输入“41”，单击 ，就把基准移至到了第41层。11. 单击 ，单击“方位”，出现“构造坐标系”，如图310所示。图310单击 ，单击，把坐标系移至绝对原点。12. 单击 ，单击进入草图模式，画草图如图311所示。 图311 图31213. 重复步骤12完成如图312所示。14. 单击工具条“自由形状特征”中的，出现“扫掠”对话框，如图313所示。图313选择底部曲线，单击、，从左至右依次选择截面线，每选完一根后单击鼠标中键，最后如图314所示。 图314 图315必须保证所有箭头方向一致。单击，出现如图315所示。选择“三次”，单击，接受默认公差，如图316所示。 图316 图317单击，出现图317，单击，出现图318，单击，出现图319。 图318 图319单击，单击 ，完成曲面如图320所示。图32015. 单击 ，单击“移至层”，出现“分类选择”对话框，如图37所示，单击，出现“根据类型选择”对话框，如图38所示选择“草图”，单击，单击，出现“层移动”对话框，如图39，输入“21”，单击 ，就把草图移至到了第21层。16. 单击 ，单击进入草图模式，单击 ，提取片体边界曲线绘草图如图321所示。把线段端点约束在提取的曲线上。图321单击 ，退出草图模式。17. 单击 ，选择步骤16所绘曲线，单击，出现“拉伸体”对话框，如图322所示。 图322 图323单击，出现如图323所示对话框。单击，出现如图324所示对话框。 图324 图325在“终止距离”输入“60”，单击，现“布尔操作”对话框，如图325所示。单击，得到如图326所示。图32618. 单击 ，出现图327。 图327 图328选择草图的左边两条线段为引导线，右边一根为截面线，如图328所示。单击、，出现图329 。 图329 图330单击，出现图330。单击 、，出现图331。 图331 图332单击“创建”， ，完成如图332所示。19. 单击，出现图333。 图333 图334选择步骤18的片体，单击，出现图334，单击“平移”，出现图335。 图335 图336单击“增量”，出现图336，在“DYC”栏输入“-55”，单击出现图337，单击“复制”，。 图337 图338同理，完成另一侧。20. 重复步骤19、20，完成另一半的操作。21. 单击，出现图338，选择小的片体再选择大的片体，单击 ，缝合两个片体，继续缝合其它片体，得到如图339所示。图33922. 单击 ，在图333中选择 ，出现图340，图340单击 ，单击，单击“复制”，单击，如图341所示。图34123. 单击 ，桥接片体，出现图342。 图342 图343单击上下片体边界，如图343所示。单击 ，桥接后的片体如图344。 图344 图345按同样方法桥接另一侧的片体，及四个小三角形的片体，如图345所示。24. 单击 ，方法同步骤21，缝合所有片体。25. 单击 ，加厚片体，出现图346。图346“第一偏置”输入“8”，点取片体，单击 ，完成片体加厚。如图347所示。图347- 94 -2 后桥壳半轴套筒建模过程1. 单击，单击“方位”，在出现的“构造坐标系”的“X增量”输入“882.5”，单击 ，单击，单击 ，进入草图模式，绘制如图348所示草图。图348单击，出现“旋转体”对话框，如图349所示。 图349 图350选择绘制的草图，单击，出现如图350对话框，选择，在出现的“矢量构成”对话框中选择，出现图351。 图351 图352单击“重置”，单击 出现图352，单击 ，出现“布尔操作”对话框，单击 ，完成半轴套筒的建模，如图353所示。图353单击，单击“方位”，单击把坐标系移动到绝对原点，单击，选择半轴套筒，单击 ，在出现的“变换”对话框中选择，单击，单击，单击，完成另一半半轴套筒的建模，如图354、355所示。图354图3553 后桥壳凸缘建模过程1 单击 ，单击“方位”在出现的“构造坐标系”的“X增量”输入“279-882.5”单击 ，单击 ，出现图356所示。 图356 图3572. 单击 ，单击，出现对话框如图357输入“180，10”，在出现的“点构造器”中单击“重置”，单击，在出现的“布尔操作”对话框中单击“创建”，完成如图358所示。图3583. 单击 ，出现图355，单击 ，单击，出现对话框如图356，输入“130，13”，在出现的“点构造器”中单击“重置”，单击，在出现的“布尔操作”对话框中单击“创建”，单击 ，出现图355，单击 ，单击，出现对话框如图356，输入“124，7”，在出现的“点构造器”中单击“重置”，单击，在出现的“布尔操作”对话框中单击“创建”。4. 单击，合并以上建的三个圆柱体。5. 单击，单击“方位”，在出现的“构造坐标系”的“X增量”输入“7”，单击 ，单击 ，出现图355，单击 ，单击，出现对话框如图356，输入“110，20”，在出现的“点构造器”中单击“重置”，单击，在出现的“布尔操作”对话框中单击“减”选择合并后的三个圆柱体。完成如图359，360所示。 图259 图3606. 单击 ，单击，单击 ，进入草图模式，绘制如图361草图。图3617. 单击，选择绘制的草图，单击 ，出现“拉伸体”对话框，如图362所示。 图362 图3638. 单击 ，单击，出现图363。在“终止距离”输入“10”，单击，在“布尔操作”对话框中单击“减”，完成如图364所示。图3649. 单击 ，单击“方位”在出现的“构造坐标系”的“Y增量”输入“80”单击 ，单击，建立基准面“XCZC”，单击裁减体，选择圆柱体，单击 ，出现“裁减体”对话框，如图365所示。图36510. 单击,选择建立的基准面，单击，单击，完成裁减体，如图366所示。36611. 单击，单击“方位”，单击把坐标系移动到绝对原点，单击，选择半轴套筒，单击 ，在出现的“变换”对话框中选择，单击，单击，单击“复制”，完成另一个后桥壳凸缘的建模。如图367，368所示。图367图3684 后桥壳加强环建模过程1.单击 ，单击，单击 ，进入草图模式，绘制如图369草图。图3692. 单击 ，完成草图绘制。3. 单击，选择绘制的草图，单击 ，出现“拉伸体”对话框，如图362，单击 ，单击，出现图363，在“起始距离”输入“55”终止距离”输入“-55”，单击，在“布尔操作”对话框中单击“减”，完成如图370所示。图3704. 单击 ，单击，单击 ，进入草图模式，绘制如图371草图。图3715. 单击 ，完成草图绘制。6. 单击，选择绘制的草图，单击 ，出现“拉伸体”对话框，如图362，单击 ，单击，出现图363，在“起始距离”输入“55”“终止距离”输入“64.4”，单击，在“布尔操作”对话框中单击“创建”，完成桥壳加强环的建模。单击，选择绘制的草图中的小圆，单击 ，出现“拉伸体”对话框，如图362，单击 ，单击，出现图363，在“起始距离”输入“0”“终止距离”输入“55”，单击，在“布尔操作”对话框中单击“减”，选择体，单击，完成如图372所示。图3725 后制动器支架固定板建模过程1. 单击，单击“原点”，在出现的“点构造器”中单击，单击凸缘的左边大圆弧边缘，单击 ，如图373所示。 图373 图3742. 单击 ，单击“方位”在出现的“构造坐标系”的“X增量”输入“327” “Y增量”输入“80”单击 。单击 ，单击，单击 ，进入草图模式，绘制如图374草图。3. 单击 ，完成草图绘制。4. 单击，选择绘制的草图，单击 ，出现“拉伸体”对话框，如图362，单击 ，单击，出现图363，在“起始距离”输入“0”“终止距离”输入“55”，单击，在“布尔操作”对话框中单击“创建”。完成如图375所示。图3755. 单击，创建孔，出现如图376创建孔的对话框，图376输入“14.5，25，118”，单击拉伸体的表面，单击，在出现的“定位”对话框中单击，如图377所示。 图377 图378选择拉伸体的圆弧，出现如图378对话框，单击“圆心”完成圆孔，按同样方法创建另一圆孔。6. 单击，单击“方位”，单击把坐标系移动到绝对原点。7. 单击，选择拉伸体，单击 ，在出现的“变换”对话框中选择，单击，单击，单击“复制”，完成另一个后制动器支架固定板，按照同样方法复制另外两个。完成如图379所示。图3796 后簧固定座建模过程1. 单击 ，单击“方位”在出现的“构造坐标系”的“X增量”输入“440”单击 。2. 单击 ，单击，单击 ，进入草图模式，绘制如图380草图。图3803. 单击 ，完成草图绘制。4. 单击，选择绘制的草图，单击 ，出现“拉伸体”对话框，如图362，单击 ，单击，出现图363，在“起始距离”输入“-58”“终止距离”输入“58”，单击，在“布尔操作”对话框中单击“创建”。完成如图381所示。图3815. 单击 ，单击，单击 ，进入草图模式，绘制如图382草图。图3826. 单击 ，完成草图绘制。7. 单击，选择绘制的草图，单击 ，出现“拉伸体”对话框，如图362，单击 ，单击，出现图363，在“起始距离”输入“-50”“终止距离”输入“50”，单击，在“布尔操作”对话框中单击“相交”，选择上步骤完成的拉伸体，完成如图383所示。 图383 图3848. 单击 ，单击，单击 ，进入草图模式，绘制如图384草图。9. 单击，选择绘制的草图，单击 ，出现“拉伸体”对话框，如图362，单击 ，单击，出现图363，在“起始距离”输入“-32”“终止距离”输入“32”，单击，在“布尔操作”对话框中单击“创建”。 完成如图385所示。图38510. 单击 ，单击，单击 ，进入草图模式，绘制如图386草图。图38611. 单击 ，完成草图绘制。12. 单击，选择绘制的草图，单击 ，出现“拉伸体”对话框，如图362，单击 ，单击，出现图363，在“起始距离”输入“-86”“终止距离”输入“86”，单击，在“布尔操作”对话框中单击“交”，选择上步骤拉伸体，完成如图387所示。图38713. 单击，单击“方位”，单击把坐标系移动到绝对原点。14. 单击，选择拉伸体，单击 ，在出现的“变换”对话框中选择，单击，单击，单击“复制”，完成另一个后后簧固定座总成，按照同样方法复制另外两个。完成如图388、389所示。图388图3897 后桥壳盖总成建模过程1. 单击 ，单击“方位”在出现的“构造坐标系”的“Y增量”输入“55”单击 。2. 单击 ，单击，单击 ，进入草图模式，绘制如图390草图。 图390 图3913. 单击，选择刚绘制的草图，选择以“Y” 轴为旋转轴，原点为圆心，旋转得到如图391的片体。4. 单击，建立“XZ”基准面，再沿“Y”轴的正向偏移“81”，以偏移后的基准面为草图基面，绘制如图392的草图。图3925. 单击，选择绘制的草图，单击 ，出现“拉伸体”对话框，如图362，单击 ，单击，出现图363，在“起始距离”输入“0”“终止距离”输入“63”，“拔模角”输入“-22”7. 单击。完成如图393所示。图393改变坐标系的方位，使“X”轴位于上图的参考线上。8. 单击，选择绘制的草图，单击 ，出现“拉伸体”对话框，如图362， 单击 ，单击，出现图363，在“起始距离”输入“0”“终止距离”输入“63”，单击。完成如图394所示。 图394 图39510. 单击，在上图绿色点插入两点。11. 单击 ，单击，绘制如图395草图12. 单击，在上图绿色点插入一点。13. 单击 ，单击，单击 ，进入草图模式，通过三点绘制如图396草图。图39614. 单击，选择绘制的草图，单击 ，出现“拉伸体”对话框，如图362，单击 ，单击，出现图363，在“起始距离”输入“0”“终止距离”输入“63”，单击。单击“减”选择圆球形片体，完成如图397所示。图39716. 单击，裁剪片体如图398所示。图39817. 单击，选择图391草图，建立如图399片体。图39918. 单击，选择片体边界，补齐片体，然后加厚片体。至此桥壳的主体模型建好了，然后对一些局部特征进行完善，诸如倒角，开孔之类就不再一一叙述。整体模型外观如图3100、3101、3102、3103、3104所示。 图3100 图3101图3102 图3103 图3104 四、 桥壳结构有限元分析及优化设计过程1有限单元法分析过程简述有限单元法的分析过程，概括起来可以分为以下六个步骤：1. 结构的离散化： 结构的离散化是有限单元法分析的第一部，它是有限单元法的基本概念。所谓离散化简单地说，就是将要分析的结构物分割成有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体，以它代替原来的结构。2. 选择位移模式： 在完成结构的离散之后，就可以对典型单元进行特性分析。此时，为了能够用节点位移表示单元体的位移，应变，和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中唯一的分布做出一定的假设，也就是假定位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称为位移模式。 选择适当的位移函数是有限单元法分析中的关键。通常选择多项式作为位移模式。其原因是因为多项式的数学运算（微分和积分）比较方便，并且由于所有光滑函数的局部，都可以用多项式逼近。至于多项式的项数和阶次的选择，则要考虑到单元的自由度和解的收敛性要求。一般来说，多项式的项数应等于单元的自由度数，它的阶次应包含常数项和线性项等。这里所谓单元的自由度是指单元节点独立位移的个数。 根据所选定的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式，其矩阵形式是 （4-1）式中 单元内任一点的位移列阵； 形函数矩阵，他的元素是位置坐标的函数；单元的节点位移列阵。3. 分析单元的力学特性： 位移模式选定以后，就可以进行单元的力学特性的分析，包括下面三部分内容：(1) 利用几何方程，由位移表达式（41）导出用节点位移表示单元应变的关系式： （4-2）式中 单元内任一点的应变列阵； 单元应变矩阵。(2) 利用本构方程，由应变的表达式（4-2）导出用节点位移表示单元应力的关系式 （4-3）式中 单元内任一点的应力列阵； 与单元材料有关的弹性矩阵。(3) 利用变分原理，建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式，即单元的平衡方程 （4-4）式中，称作单元刚度矩阵，在以后将导得 ( 4-5 )上式的积分应遍及整个单元的体积。利用变分原理还同时导得等效节点力。在以上三项中，导出单元刚度矩阵式单元特性分析的核心内容。4. 集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程： 这个集合过程包括有两方面的内容：一是将各个单元的刚度矩阵，集合成整个物体的整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力矩阵，集合成总的载荷列阵。最常用的几何刚度矩阵的方法是直接刚度法。一般来说，集合所依据的理由是要求所由相邻的单元在公共节点处的位移相等。于是得到以整体刚度矩阵、载荷列阵以及整个物体的结点位移列阵表示的整个结构的平衡方程 （4-6）这些方程还应考虑几何边界条件作适当的修改之后，才能够解出所有的未知结点位移。5. 未知结点位移和计算单元应力： 由集合起来的平衡方程组（4-6）解出未知位移。在线性平衡问题中，可以根据方程组的具体特点选择合适的计算方法。最后，就可利用公式（4-3）和以求出的节点位移计算各单元的应力，并加以整理得出所要求的结果。2 驱动桥的有限元分析方案后桥是汽车中的重要部件，它承受着来自路面和悬架之间的一切力和力矩，是汽车中工作条件最恶劣的总成之一，如果设计不当会造成严重的后果。为保证后桥设计的可行性和工作的可靠性，在设计过程中必须对其应力分布、变形等进行计算和校核。进行分析、 评估和校核的项目如下：1. 后桥壳垂直弯曲强度和刚度计算。计算桥壳的垂直弯曲刚度和强度的方法是将后桥两端固定，在弹簧座处施加载荷，将桥壳两端6个自由度全部约束，在弹簧座处施加规定的载荷。当承受满载轴荷时，桥壳最大变形量不超过1.5/m，承受2.5倍满载轴荷时，桥壳不能出现断裂和塑性变形。2. 后桥总成模态分析，计算后桥壳总成的固有频率及振型。桥壳的相关数据：驱动桥满载后轴重为5.5T, 簧距880mm,轮距1586mm,板簧座上表面面积7079mm2面载荷 =3.8Mpa （4-7）材料09SiVL-8的弹性模量为5Mpa,泊松比为0.3,材料密度为7.85e-6/ 根据国内外经验，垂向载荷均取为桥壳满载负荷的2.5倍即为9.5MPa。试验数据: 满载荷最大位移1.5。3 结构静力学分析3.1 满载荷静力学分析1. 打开简化后的模型，单击 ，进入CAE模块。2. 把鼠标移到 上，从右侧飞出方案浏览器，如图41所示。 图41 图42在模型名称上右击，然后单击“新方案”，方案浏览器变为图42，3. 单击 ，选择解算器，如图43所示。图43单击 ，出现如图44对话框。图44在“名称” 输入“q”，“质量密度”中输入“7.85e-6”，在“杨氏模量”中输入“2.1e5”，在“泊松比”中输入“0.3”，单击，完成材料的定义。4. 单击 ，对模型进行加载，选择后簧固定座总成的上表面进行加载，输入如图45的载荷。图45单击 ，加载后的模型如图46所示。图465.单击，对模型进行约束，选择半轴套筒上的面，如图47所示。图47单击，完成约束如图48所示。图486.单击，进行有限元网格的划分，选择模型在图49中单击 ， 图49 图410全局单元尺寸大小变为如图410所示。单击 ，等待一会，完成的有限元网格如图411所示。图411共有63218个节点，32293个单元。7.单击，进行解算。8.单击，查看结果。如图412、413所示。图412 Displacement从上图可以看出，桥壳在加载以后，受力变形，其最大的位移处于桥壳的中间位置，最小的位移及是被约束的地方。图413 Stress Von Mises每米轮距的变形量为0.624/1.586m0.39/m （48）远小于规定的1.5/m，符合国家相关规定。从图413可以看出，最大应力出现在半轴套管约束处，为278.3MPa，不影响分析，在桥壳方形截面与牙包过渡的地方，其应力为120 MPa左右,远小于其许用应力s=510610 MPa。32 2.5倍满载荷静力学分析其结果如下：最大位移为1.561，最大应力出现在半轴套管约束处，为659.9MPa图414图415每米轮距的变形量为1.561/1.586m0.98/m （49）小于规定的1.5/m，符合国家相关规定。从图415可以看出，在桥壳方形截面与牙包过渡的地方，其应力为280MPa左右,远小于其许用应力s。综上分析，8厚度的桥壳本体是完全符合桥壳结构强度要求的。4 结构模态分析汽车在正常工作状态下,其零部件的主要失效形式之一是在路面随机载荷作用下的疲劳失效。通常,在结构的疲劳寿命估计中,结构高应变区的确定主要是依据经验和已有的试验结果,或通过静力计算来进行,存在有一定的盲目性。尤其是结构的疲劳问题是一个动态问题,静态应变场难以代替动态应变场。因此,近年来通过计算或试验确定结构的动态应变场,得到了广泛的重视。本文以下部分采用模态分析技术,初步分析了结构位移模态和应变模态。基本原理：动态应变/应力场的基本思想是认为振动系统的应变场可由适当的特征应变场按一定的比例叠加表达。这种特征应变场即所谓的“应变模态”。对一线性系统,其振动的一般运动方程为：M X +C X +K X =f (410)根据线性系统的性质,引入f=Fexp(jt)X=Xexp(jt) (411) 代入上式得 ： (- M+jC+K)X=F (412)再引入模态坐标q,作坐标变换 X=q (413)式中:为结构的模态振型矩阵。将式413代入式412,并左乘T得：(- M+jCr+Kr)q= F (414)式中:M、Cr和Kr分别为模态质量、模态刚度和模态阻尼矩阵,均为对角阵。进一步,由式414和式413可得出位移响应表达式为：X=Yr F (415)式中:Yr=(-M+jCr+Kr) =diagY1Y2Y3Y;m=模态数为使公式推演简单明了,以下仅以结构的一维问题为例,给出纵向应变模态表达式。设结构沿纵向的位移为U,则纵向应变为：x= (416)引入结构的模态坐标并运用模态叠加概念,可得到结构的总位移为：U=q (x) (417)将式417代入式416得x= = = (418)(x)称为应变模态向量。将模态坐标q=YrF代入上式得x= (419)写成矩阵形式= F=HF (420)式(11)中的H称为应变传递函数矩阵,矩阵中的任一元素 H = (421)由此式可以看出,由于通常应变测量是非全场测量,因此应变模态向量元素数与位移模态向量元素数不等,所以应变传递函数矩阵既不是对称阵,也不是一方阵。因此,要得到全部模态参数,必须测量应变传递函数矩阵的一行及一列。这意味着建立应变响应预测模型所需的工作量是建立位移模态的二倍。由位移频响函数 ： H=Y (422)和应变频响函数 ： H=Y (423)可以看出它们具有相同的模态质量、模态刚度和模态阻尼。因此,在求取结构的应变场时,可以采用任何方法先求取结构的位移模态振型及模态参数,然后固定一点激励,对其余各测点进行应变响应测量,得到H矩阵的一列,经数据处理后即可得到应变模态向量,进而求得应变响应模型。以下是对8厚的驱动桥壳本体做的结构模态分析结果：图416图417图418图419图420改变桥壳本体厚度做模态分析，结果如表2所示。表2不同厚度、模态桥壳的频率87.576.565Mode1132.2144.2145.3146.5147.7150.0Mode2220.1220.6221.4222.2222.8223.5Mode3342.5343.0343.5343.5342.9338.9Mode4457.9456.6455.5454.1452.2446.9Mode5492.5492.4492.0491.0489.1480.1从上表可以看出，在厚度降低时，桥壳的固有频率是在不断地增加的，说明降低桥壳的厚度可以提高其低阶固有频率，从而提高桥壳刚度。与试验（附录1）结果比较，其一阶频率接近试验结果，桥壳本体厚度为8的驱动桥壳的一阶频率与试验绝对误差为：(149-132.2)/149100%11.2%小于经验值20%，说明模型的可靠性是有保证的。5 优化分析5.1结构优化设计改变桥壳本体的厚度，进行有限元分析，得到的结果比较如表格1。表格 1 不同厚度的桥壳本体的参数比较桥壳本体的厚度Displacement Magnitude（）Stress Von Mises（MPa）81.5616.959e+00271.7148.294e+00261.9247.972e+002由此表可以看出在桥壳本体的厚度不断降低的情况下，其位移量是在不断增加的，应力是先增加后减少，而且最大位移处，由原来牙包加强环边缘处转移到了牙包与方形截面过渡的地方，如图421、422所示。图421图422经过分析这种情况可能是因为桥壳本体的厚度太低，导致了桥壳的塑性变形，也就是说，6厚的桥壳本体是不能使用的，尽管其位移量低于国家标准，因此可以推断在满足每米轮距位移量和许用应力要求的前提下，可以适当地减小桥壳本体厚度，以达到节约材料的目的，但厚度不能低于6，且在67毫米之间肯定有一个值能够满足用料最少，且其应力低于许用应力，优化的桥壳本体的厚度可以在此范围内搜索。笔者尝试了6.5厚的桥壳本体，其最大位移仍然在牙包与方形截面的过渡处，如图423所示。 图423因此必须加大厚度。暂定6.7，然后分析其位移，其位移最大的位置仍然在牙包与方形截面的过渡处，再把厚度改为6.9，结果最大位移为1.730位置仍位于牙包与方形截面的过渡处。由此可以大概地判断，7可能是比较适合的厚度。5.2 参数化优化设计为了获得最优结论，必须进一步进行驱动桥壳的参数化优化设计。在指定优化目标、定义约束和定义变量之后，UG能够自动的计算出最优结果，以下是具体的步骤：模型在划分完网格以后，单击 ，进行优化设置。弹出对话框，如图424所示。 图424 图425单击 ，出现对话框，如图425，单击 ，以重量最小化为最终目标。单击 ，给分析加上许可应力约束条件，根据前述分析，最大应力出现在半轴套管约束处，且其数值是牙包与方形截面处应力的23倍，由图422可以看出。考虑到68mm下单位长度位移变量满足国标要求，因此定义约束为应力，考虑到计算机性能的限制，同时为保证设计能在一定范围内收敛，因此，定义最大值为800MPa是合理的。如图426所示。 图426 图427单击 ，完成约束。单击 ，把桥壳的厚度定为设计变量。根据前述分析结论，定义其最大值为8。最小值定为6，单击 ，完成设计变量的定义。其余参数接受系统的默认值。单击 ，进行解算。以下是系统输出的结果，如图42