SUV后驱动桥壳建模及模态分析

1、河北工业大学2014届本科毕业设计说明书河 北 工 业 大 学 毕业设计说明书 作 者： 张然 学 号： 100255 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 车辆工程 题 目： SUV后驱动桥壳建模及模态分析 指导者： 刘璇 讲师 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2014 年 6 月6日毕业设计（论文）中文摘要 SUV后驱动桥壳建模及模态分析摘要：驱动桥壳的主要功用是支承汽车的质量，并承受由车轮传来的路面反力及反力矩，经悬架传给车架或车身。用传统方法对驱动桥壳进行分析时显得费时费力，对其进行相应的模态分析也十分繁琐，对变形计算时更是困难，所以近年来，各汽车企

2、业以及相应的研究人员，都通过软件对驱动桥壳进行建模，然后进行模态分析，利用有限元方法对驱动桥壳进行分析、计算，从而得到更加准确的结果。 本文主要是利用UG软件建立驱动桥壳的三维模型，再利用ANSYS软件生成有限元模型，随后进行静力学分析，得到桥壳的强度和刚度分析结果，提出改善方案，对桥壳结构进行优化；再进行模态分析，分别为常规模态分析和预应力模态分析，生成桥壳在前6阶模态下的模态分析云图，得到桥壳的固有特性，从而避免桥壳发生共振，并对桥壳在其他工况下的振动形式进行预测。关键词： SUV后驱动桥壳 UG建模 ANSYS 模态分析 河北工业大学2014届本科毕业设计说明书毕业设计（论文）外文摘要T

3、itle Modeling and modal analysis of the SUV rear drive axle housing AbstractThe major function of the drive axle housing is bearing the quality of the car, and by the wheel of road surface reaction force and torque, the suspension to the frame or body. When using traditional methods to analyze drive

4、 axle housing is time-consuming, laborious to corresponding modal analysis is complicated, the deformation calculation is more difficult, so in recent years, the automobile enterprises and the corresponding researchers, both for drive axle housing is modeled by the software, then the modal analysis,

5、 using the finite element method analysis of drive axle housing, calculation, so as to get more accurate results.This thesis mainly by using UG software to establish three-dimensional model of the drive axle housing, using ANSYS software to generate finite element model, and then statics analysis of

6、 the bridge housing strength and stiffness analysis result, put forward the improvement plan, optimize the structure of bridge housing; Modal analysis, respectively, often prestressed modal analysis, size analysis and generate bridge housing in the first six order modal modal analysis under the clou

7、d, the intrinsic characteristics of the bridge housing, so as to avoid the bridge housing resonance, and the bridge housing under other conditions predict the vibration of the form.Keywords： SUV rear axle housing UG model ANSYS modal analysis 目 录 1 引言11.1 后驱动桥桥壳的分类11.2 国内驱动桥壳的有限元分析研究现状21.3 国外驱动桥壳的有限

8、元分析研究现状31.4 本课题的研究内容与目的32 SUV后驱动桥壳建模42.1 UG建模软件功能介绍42.2 驱动桥壳零部件建模72.3 驱动桥壳零部件装配102.4 本章小结113 SUV后驱动桥壳有限元分析113.1 有限元法概述113.2 ANSYA软件功能介绍123.3 驱动桥壳有限元模型生成133.3.1 创建分析工程项目133.3.2 几何体材料的添加133.3.3 几何体网格的划分153.3.4几何体载荷和约束的施加163.4 本章小结164 SUV后驱动桥壳静应力分析174.1 静应力分析介绍174.2 驱动桥壳应力应变云图生成174.3 分析结果及改善措施184.4 本章小

9、结195 SUV后驱动桥壳模态分析195.1 模态分析介绍195.2 常规模态分析195.2.1 模态分析云图生成195.2.2 模态分析结果235.3 预应力模态分析245.3.1 模态分析云图生成245.3.2 模态分析结果275.4 模态分析结论285.5 本章小结29结论30参考文献32致谢331 引言汽车驱动桥作为整车关键总成之一,直接影响着整车的安全性、平顺性、承载性和舒适性,而驱动桥壳作为驱动桥的主要零部件，应保证主减速器齿轮正常啮合，在各种工况下都要避免两半轴附加弯矩的产生；为了提高汽车的行驶平顺性能，应尽量减小桥壳的质量，但仍要保证所需的强度和刚度；为了保证汽车的跨越性能，应

10、使其有足够的离地间隙；桥壳中装配着主减速器、差速器等零部件，在汽车行驶过程中，可能会有尘土、泥水的进入，所以桥壳应保证力矩可以正常传递；同时，桥壳在设计过程中，应考虑到在后期的维修过程中，桥壳及其他零部件的拆卸方便。后驱动桥壳传递着地面与车身之间的作用力，它的作用与功能要求其在设计、铸造、焊接、安装过程中有良好的强度、刚度及特性。为了满足人们对驱动桥壳性能的要求，就需要研究人员对桥壳进行相应的有限元分析，可以快速、准确的改善桥壳性能。有限元分析的基本思想是将物体离散化，通过一系列的边界条件及约束，使各个离散单元以不同的方式连接为一组合体，这样就可以用组合体将复杂结构的模型进行求解。而随着计算机

11、技术的成熟，CAE工程分析软件将一切步骤系统化、快速化、准确化，有效的解决了设计分析过程中的大型、复杂计算问题，一系列的分析软件使得各个领域的设计水平都有很大程度的提高。1.1 后驱动桥桥壳的分类驱动桥壳可大体上分为可分式、整体式和组合式三种类型。1、可分式桥壳可分式桥壳（如图1-1所示）分为左右两个部分，这两个部分通过螺栓连接为一整体。可分式桥壳结构简单，主减速器支承刚度好，但是在拆装、维修方面不方便，现在使用较少。 图1-2 整体式桥壳图1-1 可分式桥壳 2、 整体式桥壳 整体式桥壳（如图1-2所示）的整个桥壳是一个空心梁，桥壳和主减速器是单独的两个个体，拆装主减速器时较方便。常见的整体

12、式桥壳有整体铸造、钢板冲压焊接、中段铸造两端压入钢板、钢管扩张成形等形式。3、 组合式桥壳 组合式桥壳（如图1-3所示）的主减速器与部分桥壳铸为一体，用无缝钢管分别压入壳体两端，两者之间用塞焊或销钉固定。这种桥壳的从动齿轮轴承的支承刚度较好，常用于乘用车和总质量较小的商用车上。图1-3 组合式桥壳1.2 国内驱动桥壳的有限元分析研究现状在我国，许多企业和研究人员已经以有限元分析为基础,将CAD、SOLIDWORKS、UG和ANSYS等有限元分析软件结合起来,成功的通过有限元分析法，实现了对驱动桥壳三维模型的分析过程,从而得出了驱动桥壳在各种典型工况下的应力分布情况。中国长安汽车公司就通过建模软

13、件SOLIDWORKS结合有限元软件NASTRAN对驱动桥壳进行了结构分析,根据相应的分析结果，对桥壳壳体结构进行优化设计,使得驱动桥顺利通过了道路试验；东风汽车公司对汽车轻卡驱动桥壳进行分析，应用UG建模软件建立驱动桥壳的几何模型，再利用CATIA软件对桥壳模型进行分析处理，包括模态分析、强度分析，通过对应力应变云图的分析，对桥壳结构进行优化设计。以上研究成果表明有限元分析能很好的实现对驱动桥壳模型的分析处理,有效降低设计成本,缩短了设计周期,产生了较好的经济效益。1.3 国外驱动桥壳的有限元分析研究现状 国外对模型的有限元分析技术比国内要成熟许多，尤其在汽车研究方面，德国、美国、日本等国家

14、早就开始了借助CAE软件进行分析。ABQUS、NASTRA、NANSYS等分析软件都是由国外公司开发设计。在驱动桥壳的有限元分析上，国外企业依靠CAE技术将工程设计的分析环节有机地组织起来，实现结构分析全过程的准确化、快速化、信息化，提高工程质量，缩短设计周期，以取得良好的经济效益。CAE软件分析涉及多个方面，在汽车领域，公司针对特定的结构或产品进行相应的分析，通过静态结构及动态分析等，分析产品性能，通过分析结果还可以对模型进行预测，从而进一步优化产品结构。不同的模块可以进行不同的功能分析，包括模型的物理性能、力学性能，通过对三维模型的处理进行结构的评比和优化，以改善产品性能，实现产品的创新。

15、1.4 本课题的研究内容与目的首先，熟悉汽车驱动桥壳的结构及功能特点，然后熟练掌握三维建模方法，熟练掌握有限元分析软件并应用于驱动桥壳的模态分析。利用UG软件建立驱动桥桥壳模型，然后可以将其导入ANSYS软件进行分析处理，为后续分析提供有限元模型。进行强度分析，可以利用ANSYS对桥壳进行静力学分析，对桥壳施加载荷，得出相应的变形和应力分布情况，看桥壳是否满足强度及刚度的要求，看最大变形和最大应力出现在桥壳的哪个位置，在对桥壳进一步优化时，就要着重考虑该处的结构、焊接情况，以延长桥壳寿命；进行模态分析，分别对桥壳进行常规模态分析和预应力模态分析，分别在两种状态下计算出桥壳在前6阶模态下的振动特

16、性，即固有频率和振型，对两种模态下的分析结果进行比较，并分析桥壳是否会因路面或发动机的激励而产生共振现象等，分析桥壳结构设计是否合理。CAE分析的主要流程如图1-4所示： 图1-4 CAE分析流程图 2 SUV后驱动桥壳建模2.1 UG建模软件功能介绍UG建模软件具有强大的设计应用模块，成功的将工程设计、机械绘图、仿真建模融合为一体，提高了工程设计中的灵活性和随动性，满足了研发人员对复杂结构的设计需要。在开发周期中，可以通过UG建立预想的模型，通过对实体的仿真，全面、快速的完成对实体的预期要求，从而通过一系列软件分析，来确定其产品是否符合要求，避免了材料的浪费、周期过长、设计缓慢等缺点。而本课

17、题中，主要用到了UG的建模功能（如图2-1所示）、草图功能（如图2-2所示）以及装配功能（如图2-3所示）。 图2-1 建模界面进入UG软件后，点击“新建”，选择“模型”，就会进入图2-1所示的界面。在这个界面中，可以通过成形特征等操作，绘制六面体、圆柱、球等规则的模型，在已有模型基础上可以进行倒角、倒圆、打孔、凸台等操作，还可以通过布尔运算完成对多个实体的求和、求差等运算，另外其中的扫掠、旋转、拉伸等操作可以将二维图形转换为相应的三维模型。工具栏为用户提供了强大的功能，例如在此界面环境下可以将UG模型导出为其他格式的文件；可以改变模型的密度等属性；可以由线段生成曲面或者由曲面生成曲面，特别有

18、助于进行不规则曲面的绘制等。 图2-2 草图界面进入到建模环境之后，点击图2-1所示界面的“草图”命令，就会进入图2-2所示的草图界面，在这个界面中，在选取的平面上进行二维图绘制，可以通过基本曲线如直线、圆等进行绘制，还可以通过添加约束和尺寸得到相应的图形，绘制完成后点击“完成草图”命令，回到图2-1所示的界面，通过拉伸、旋转等操作完成模型的建立。此环境的最大优点就是可以简单方便的完成由二维图向三维模型的生成过程，可以依用户需要，在所需的任何平面进行图形绘制，有效的降低建立了复杂结构的模型的难度。 图2-3 装配界面建立好各零件的模型后，可以在图2-3所示的界面进行装配，点击“添加组件”，依次

19、添加各零件，需要注意的是添加的第一组件为基准件，定位为绝对原点，即此件建模时的原点，第二件组件的定位时可以通过选择原点以及移动组件完成，要注意先选移动的，后选基准件，也可以通过添加约束实现组件的定位。装配过程的准确度和约束程度直接影响着爆炸图是否可以成功生成，装配完成后，点击“自动爆炸组件”就可以生成爆炸图。2.2 驱动桥壳零部件建模对于整体式驱动桥即非断开式驱动桥，半轴套管与主减速器壳刚性连接到一起，两侧的半轴和驱动车轮不能在横向平面内做相对运动，凸缘盘是用来固定制动底板，最外端法兰是来安装轮毂，半轴套管外端用以安装轮毂轴承，后盖上应装有检查油面用的螺塞等。安装制动底板的凸缘与桥壳铸在一起，

20、钢板弹簧座与桥壳铸成一体，桥壳中部前段的平面及孔用于安装主减速器及差速器的总成，后端平面及孔可装上后盖，打开后盖看做检视孔用。下面介绍主要零部件的建模过程： 图2-4 桥壳如图2-4所示，首先先完成桥壳本体的左半部分A-C的建立，先完成A-B部分，AB部分可通过连续的选择基准面进入草图拉伸，进行布尔加操作，然后进行抽壳操作而得到。BC段上半部分可先后进入草图绘制截面曲线和引导线，再通过扫掠操作得到上半部分的片体，然后通过镜像，得到BC段下半部分，再进行上下两片体的桥接，然后进行片体加厚操作，最后通过布尔加运算，得到AC段模型，再通过镜像得到驱动桥壳另外一部分，再通过一次布尔加运算得到桥壳本体。

21、然后逐步完成垫片、通气塞、弹簧座等的模型建立。 图2-5 后盖如图2-5所示，先选定基准平面，进入草图，绘制基本封闭曲线，完成草图后一Y轴为旋转轴，以原点为圆心，旋转得到一实体，再通过布尔求差操作得到面，随后进行倒角，再进行一次抽壳，得到基本的模型。然后再设定相应的基准平面，逐一绘制螺塞等部件。凸缘盘、弹簧座的模型图分别如图2-6、图2-7所示： 图2-6 凸缘盘 图2-7 弹簧座 2.3 驱动桥壳零部件装配完成桥壳各零部件的建模后，需要在UG装配环境下进行装配。主要装配过程如下：建立一个新的界面，然后点击“装配”，进入装配界面后，逐一添加组件，第一组件的定位选项要选择“绝对原点”，“设置”选

22、项中的“引用集”“图层选项”分别选择“模型”“工作”项，如图2-8所示。随后继续添加的组件，例如添加凸缘盘后，如图2-9所示，通过添加约束以保证装配精度。在对凸缘盘和桥壳进行装配约束时，在“接触对齐”条件下，需先自动判断中心（轴），随后继续添加约束，由于对两平面进行接触约束时，并不能对组件进行唯一定位，所以要选择凸缘盘的端面与桥壳的锥面进行接触约束，完成两个组件的装配。其他的组件按照上述方法逐一装配，装配好桥壳模型的一半部分后，可以通过镜像装配完成另外一部分的装配。图2-9 添加凸缘盘 图2-8 添加组件在进行装配之前，一定要先熟悉掌握驱动桥壳各零部件之间的位置关联，即各部件之间的装配关系，装

23、配过程中，明确各组件间的约束条件,这样才能提高装配精度，以保证正确装配，以及随后的爆炸图生成，爆炸图如图2-10所示： 图2-10爆炸图完成建模工作后，下一步就需要借助ANSYS对所需的几何部分进行网格划分，而模型结构、尺寸的精准度直接影响着网格划分的质量，以及随后结构力学的计算结果。所以，建立模型时一定要严格按照尺寸进行绘制，保证模型的结构准确，以保证模型的质量，再导入ANSYS软件进行分析之前，还需将几何体装换为ANSYS所能识别的格式文件。2.4 本章小结本章主要介绍了驱动桥壳的建模过程，对UG建模软件的功能做了简单的介绍。对软件使用的熟练程度，直接影响着建模的速度与质量，而模型质量对之

24、后的有限元分析有着很大的影响。所以，在建立桥壳三维模型的过程中，应严格按照桥壳结构尺寸进行绘制。建立完成后，在导入ANSYS软件进行网格划分之前，必须把结构转换成软件可以识别的文件，比如.step、.x_t、.igs等，本课题中，将结构装换为parasolid格式，即.x_t文件。3 SUV后驱动桥壳有限元分析3.1 有限元法概述伴随着机械设计过程，需要对工程研究项目进行一系列的强度、刚度和稳定性分析，而其主要的理论依据就是结构力学、理论力学、材料力学和弹、塑性力学等。随着技术的发展，人们对结构的要求也越来越高，对结构材料的要求也越来越广泛，导致新材料不断出现，而工程结构的形状、构造和载荷也越

25、来越复杂，所以原有的理论分析体系也逐渐无法满足人们的需求，在对结构进行分析时，传统的求解方法几乎无法得到结果。因此在20世纪，人们开始试着寻找依据力学问题或场问题的近似求解方法。在一般的力学或场问题求解过程中，我们可以通过建立他们所遵循的基本方程，即微分方程，包括常微分方程和偏微分方程，以及相应的边界条件，以达到求解目的。数学家从微分方程出发，分析出了可以直接建立在这些方程之上的一般求解方法，如有限差分近似法、求适当定义的泛函的极值近似方法等。当上述几种方法遇到边界条件复杂、结构形状复杂的问题时，求解就会发生困难。为此，机械工程师借助了更直观的方法来解决连续体的各种力学问题，即有限元法。有限元

26、法分析问题时要先对结构进行识别分析，在应力分析中，我们应该明白分析的是静力学问题还是动力学问题，是否包含非线性，要从分析中得到什么结果。而对结构进行离散化时，会不可避免的出现一些误差，在实际分析过程中，产生误差的主要来源是：建模误差、离散化误差和数值误差。为了降低分析计算误差，就需要优化改进模型结构，改变网格的尺寸大小和划分形状，以及计算机的计算能力和计算结果的精度显示能力。有限元模型的建立要依靠结构实际的形状和实际的工况，而在实际的工程设计过程中，有许多结构是为满足加工、搬运、装配等要求而产生的，对其进行分析时，可将一些细节部件进行忽略，如：倒角、倒圆、小孔等。但必须保证简化后的模型应尽可能

27、反映结构的实际情况，使有限元模型的抗弯、抗剪刚度与实际工况相符。3.2 ANSYA软件功能介绍 本课题中用到的有限元分析软件是ANSYS软件，ANSYS软件具有强大的工程分析功能，可以与其他各种大型CAD软件进行集成，通过简单的操作就可以将有限元分析和工程制图高效、有机的组合在一起。ANSYS软件主要包括3个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网络划分工具，在前处理模块中用户既可以从其他集成软件中导入几何体模型，又可以在自身软件环境下建立所需的模型结构，此外还可以依据实际情况，对模型进行属性的设置，包括材料的选择、密度的设定等；分析计算模块包括结构分

28、析、流体动力学分析以及多物理场的耦合分析，在分析计算模块中，先确定所要对模型进行的分析属于何种类型，然后根据工况的不同和所需结果数据的不同，对模型进行不同的分析计算；后处理模块可以将计算结果以彩色等值线显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以表格、曲线形式显示或输出。 图3-1 工程项目 3.3 驱动桥壳有限元模型生成3.3.1 创建分析工程项目在进行有限元分析时，要将几何体进行简化，对于驱动桥壳，要忽略某些结构的不规则性，将对分析结果影响较小的零部件进行忽略和简化，然后导出为parasolid（.x_t格式）文件。进入ANSYS软件后，如图3-1所示，进行模态分析时要在工程

29、项目窗口创建Modal项目，进行静应力分析时需创建Static Structural项目，创建好项目后，导入桥壳模型，随后双击Geometry选项，进去DesignModeler界面，选择单位为毫米，生成几何体如图3-2，关于几何体结构的要求均在UG软件中进行体现，所以在DM界面中不需对几何体进行任何操作。生成几何体后退出DM界面，回到主界面。3.3.2 几何体材料的添加 通过Engineering Data项，进入工程材料界面，为驱动桥壳添加材料，进行材料属性的设置。进入如图3-3所示界面，由于软件系统中没有材料Q235，所以需要自己进行添加，点击第一工具栏中的第十项，创建新材料，随后将桥壳

30、的具体参数添加到材料属性当中，根据需要设置的属性，从左侧工具栏中进行添加，随后在界面中设置各属性的具体参数，如图3-4所示。添加完成后，回到工程管理界面。 图3-2 DM界面 图3-3 工程材料 图3-4 材料属性3.3.3 几何体网格的划分在工程项目管理窗口中，双击项目的Model项，就会进入Mechanical界面，在左侧分析树中进行对该模块的操作。在solid栏中添加模型材料，将系统默认材料项修改为材料Q235，然后在Mesh栏中进行网格属性设置，因为网格的属性，尤其是网格的大小尺寸对划分的进度和质量有很大影响，所以需要结合计算机处理情况，经过多次试验后得出最适合的网格尺寸，本课题中将网

31、格的划分形状选为系统默认值，将网格大小设置为0.01m，设置完成后，生成网格如图3-5，网格中生成节点50672个，单元格25997个。 图3-5 网格划分 图3-6 施加载荷和约束3.3.4几何体载荷和约束的施加继续在Mechanical 界面中对项目进行操作，在Static Structural（静态结构）项下，对模型进行固定约束，在对驱动桥壳的有限元分析中，要对两凸缘盘端面进行约束，需要添加两次固定约束命令，分别对两端面进行约束。在两简化弹簧座的上表面进行载荷施加时，也要添加两次载荷施加命令，分别对所需面进行施加，在施加过程中，需要注意载荷的矢量方向，按照实际中驱动桥壳所受到的力的方向进

32、行施加，载荷和约束添加完毕后，进行求解，求解完毕后，界面如图3-6所示，完成对几何体的约束和载荷的添加操作。3.4 本章小结本章主要介绍了CAE分析中的前处理和有限元分析阶段，对模型结构进行选取和设置，比如泊松比、密度等重要参数的选定。同时，为了保证结果分析的准确性，需要结合运算周期对网格的属性进行必要的设定。在向结构添加约束时，应该结合实际情况，准确的掌握所需固定约束的表面，防止欠约束和过约束的产生，为之后应力应变云图的生成做好准备工作。4 SUV后驱动桥壳静应力分析4.1 静应力分析介绍对桥壳进行强度分析，即进行静力学分析，在桥壳的受力面上施加静态载荷，此时系统中的惯性以及阻尼就忽略不计，

33、进行静力学分析时，必须对桥壳进行充分约束，因为桥壳在载荷作用下应处于静态平衡状态，而又由于忽略惯性则不用考虑桥壳的质量的影响。同时，若加载力时加载的很缓慢，使得桥壳的自振周期远小于载荷变化的周期，那么仍可忽略桥壳的惯性，将情况简化为普通的静力学分析。对于本课题，只需在考虑两端受静载荷作用下，对桥壳进行分析即可。4.2 驱动桥壳应力应变云图生成将简化后的桥壳模型转化为parasolid（.x_t）文件之后，导入到分析软件ANSYS中，进行结构新材料的添加和网格的划分，随后对桥壳添加约束和载荷，待以上工作均完成后，在界面左侧的分析树中，选择Static Structural（求解）项，在弹出的菜单

34、里选择等效应力项和总变形项，而与其相对应的具体操作都会出现在分析树中，将命令添加完毕后，对结构进行求解操作，此时会出现求解过程进度条，待求解完毕后，进度条消失，在分析树求解项的分支中点击相应的项会生成相应的分析云图，总变形分析云图和应力分析云图分别如图4-1、图4-2所示。图4-1 总变形云图图4-2 等效应力云图4.3 分析结果及改善措施根据总应变分布云图，桥壳的最大变形发生在桥壳在中部，随着桥壳由中部向两端延伸，变形量逐渐减小，且桥壳左右两部分的应变分布情况基本相同，最大变形量Zmax0.4mm，而许用刚度=1.5mm，可知Zmax，所以桥壳满足刚度条件；根据等效应力分析云图可知，桥壳中部

35、所受应力最小，桥壳左右两半部分应力分布情况基本相同，从弹簧座开始，应力明显增大，在有结构突变处，出现应力最大值，应力约为278MPa，有明显的应力集中现象，在凸缘盘与桥壳连接处的应力值也较大，应力值约为247MPa。桥壳所受最大应力max278MPa,而许用应力=375500MPa，可知max，此外在最大应力处，桥壳的变形量为0.05mm，远小于许用刚度，所以桥壳的强度和刚度均符合要求。对于工程中结构，必须要同时满足刚度条件和强度条件，而大多数情况下，结构的强度条件起着至关重要的决定性作用，所以一般情况下是在强度危险截面要再进行刚度校核。为了提高桥壳的强度，要合理安排支座位置，结合汽车实际布置

36、情况，合理的改善两弹簧座间的距离，减小最大弯矩；选择合理的截面形状，提高桥壳的抗弯截面系数；合理设计桥壳的结构，避免结构尺寸突然变化，避免应力集中，提高焊接质量，避免出现缺陷。为了提高桥壳的刚度，可以改变力的施加方式，减小弯矩；可以增加约束，合理的增加支承点数目，减小最大变形量；选择合理的截面形状，增大桥壳的惯性矩；还可以减小汽车的横向尺寸，以减小桥壳的长度，降低最大变形量；在必要时，可以再桥壳上施加预变形，预变形的方向与桥壳实际的变形方向相反，以达到减小受力变形的目的。4.4 本章小结本章主要是对桥壳结构进行静应力分析，包括强度分析和刚度分析。通过强度分析，找到结构产生最大应力的位置，改善其

37、结构，延长桥壳整体的使用寿命；通过刚度分析，得到桥壳整体的变形情况，找到最大变形度，提高其刚度，使桥壳的强度和刚度都符合要求。根据分析出的结果，相应的找到解决问题的方法，对对桥壳的结构进行优化。5 SUV后驱动桥壳模态分析5.1 模态分析介绍模态分析可以帮助设计人员确定结构的固有频率和振型，从而帮助研究人员可以预测结构在不同工况下的振动形式，有利于在以后的动力学分析中进行重要参数的估算。模态分析过程就是对系统进行特征值以及特征向量的求解过程，根据生成的云图，可以直观的看到结构在不同情况下的变形情况。对于驱动桥壳的模态分析，就可以通过云图明确桥壳在各阶振型下的弯曲情况，得到桥壳的固有特性。模态分

38、析有包括常规模态分析还预应力模态分析，常规模态分析是在没有任何外应力施加的情况下对几何体经过分析，是最基本的模态分析模式，相对的，预应力分析就是在有约束的前提下，再对桥壳施加预应力，从而分析几何体的频率和振型，在一个结构中，其受到的应力可能会对几何体的刚度造成影响，比如在拉小提琴的过程中，每一根弦的松弛程度都影响着发音，即比较紧的弦有较大的刚度，致使其固有频率较高，刚度的不同影响着频率的不同，而频率的不同又影响着发音的不同。5.2 常规模态分析5.2.1 模态分析云图生成对桥壳进行常规模态分析时，需将桥壳模型转化为.x_t格式，然后导入ANSYS生成几何体，再对几何体添加所需的新材料属性并完成

39、网格划分，划分完毕后，网格中生成节点50672个，单元格25997个。随后对模型进行约束，即分别向凸缘盘两端面施加固定约束，添加两次施加约束命令，施加约束后的结果如图5-1所示。图5-1 施加约束在左侧分析树中，对Model项右击进行求解，根据模型所划分的网格的尺寸不同和计算机本身的处理能力不同，进行求解时所需要的时间也不同。待求解完成后，打开Detail of analysis settings窗口中，将需要计算的模态数量设置为6，即对桥壳进行前6阶模态分析，然后选择Solution项，在弹出的菜单中选择总变形命令，此时，会在分析树中出现该选项的具体命令，因为要进行6阶模态求解，所以需要添加

40、六次总变形命令，在依次对变形具体项中的阶数进行设置，设置完毕后进行求解。求解完成后，要生成结果云图，依次选择分析树中的总变形选项，分别生成各阶模态总变形云图如下：图5-2 一阶振型模态云图图5-3 二阶振型模态云图图5-4 三阶振型模态云图图5-5 四阶振型模态云图图5-6 五阶振型模态云图 图5-7 六阶振型模态云图5.2.2 模态分析结果 完成对桥壳的常规模态分析计算后，结合各阶模态云图以及显示的各阶频率，得到各阶模态频率和振型如表5-1所示： 表5-1 常规模态分析结果阶数 频率（Hz）振型描述 1146.62在XY平面内发生一阶弯曲 2225.48在XZ平面内发生一阶弯曲 3415.3

41、7绕X轴发生整体扭转 4483.41在XZ平面内发生二阶弯曲 5538.23在XY平面内发生二阶弯曲 6953.48在XY平面内发生三阶弯曲5.3 预应力模态分析5.3.1 模态分析云图生成借助ANSYS软件对桥壳模型进行预应力模态分析时，需要在custom system下选择预应力分析模块，如图5-8所示，这样两个模块之间的资源与数据就可以共享。建立好项目后，通过A3 Geometry项导入桥壳模型（.x_t格式），再到DM界面中生成几何体，为几何体添加新材料后，对几何体进行网格划分，网格中生成节点50672个，单元格25997个。划分完毕后，对几何体添加约束和载荷，如图3-6所示。 图5-

42、8 预应力模态分析生成有限元模型后，对模型进行求解，然后生成前6阶模态下的模态分析云图，各阶分析图如下： 图5-9 一阶预应力模态图5-10 二阶预应力模态图5-11 三阶预应力模态 图5-12 四阶预应力模态图5-13 五阶预应力模态图5-14 六阶预应力模态5.3.2 模态分析结果结合生成各阶模态云图，以及显示的各阶频率，可得到各阶预应力模态下的频率和振型如表5-2所示： 表 5-2 预应力模态分析结果阶数 频率（Hz）振型描述 1146.61在XY平面内发生一阶弯曲 2225.43在XZ平面内发生一阶弯曲 3415.23绕X轴发生整体扭转 4483.34在XZ平面内发生二阶弯曲 5538

43、.22在XY平面内发生二阶弯曲 6953.45在XY平面内发生三阶弯曲5.4 模态分析结论结合常规模态分析和预应力模态分析结果可知，在两种情况下，驱动桥壳各阶模态下的频率没有很大差别，各主要振型也基本相同，这说明频率和振型属于物体的固有特性，与施加给结构的应力没有关系，在受到预应力后，桥壳的刚度也没有显著的变化，各部分的变形情况基本相同。在实际工况中，驱动桥作为传动系的末端传动结构，驱动桥壳很容易受到来自地面或传动系的力和力矩的影响，所以其振型和频率也会受到轻微的扰动。在一阶模态下，桥壳在XY平面内发生了一阶弯曲，其中桥壳中部的变形最大，最大变形量为0.326m；在二阶模态下，桥壳在XZ平面内

44、发生一阶弯曲，桥壳中部变形最大，最大变形量为0.284m；在三阶模态下，桥壳绕X轴发生扭转，最大变形发生在桥壳中部，且变形区集中，最大变形量约为0.538m；在四阶模态下，桥壳在XZ平面内发生了二阶弯曲，最大变形发生在桥壳中部两侧，即轴套中部，最大变形量约为0.291m；在五阶模态下，桥壳在XY平面内发生二阶弯曲，最大变形发生在轴套中部，最大变形量约为0.298m；在六阶模态下，桥壳在XY平面内发生三阶弯曲，变形严重，最大变形出现在轴套中部和桥壳中部顶端，最大变形量约为0.336m。可以看出，在三阶模态下，桥壳发生扭转变形时所产生的变形最大，且变形非常集中，危害很大，应尽力避免桥壳在此频率下发

45、生共振。实际工况中应主要考虑桥壳在前两阶模态下的状态，因为其他模态下的桥壳变形严重，出现了扭转、二阶弯曲，甚至三阶弯曲，此刻的桥壳已不能正常工作，而前两阶模态中，最大变形都发生在桥壳中部，轴套中部变形也较严重，所以在桥壳设计中，应着重考虑桥壳中部以及轴套中部的模态分布情况。一般情况下，在汽车行驶过程中，对整个系统来说路面是最主要的激励源，而多数情况下路面所引起的激励频率范围约为050Hz,结合表5-1、表5-2可知，两种工况下的各阶模态频率均远大于50Hz，有效的避免了驱动桥与地面之间发生共振，该桥壳的结构设计合理。5.5 本章小结本章主要是桥壳进行模态分析，包括常规模态分析和预应力模态分析。

46、分别在两种工况下，对桥壳结构的固有特性进行求取，得到桥壳在前六阶模态下的总应变云图，再将两工况下的结果进行对比，分析桥壳结构是否合理。结合分析结果，在之后的设计过程中，避免与桥壳发生共振，并对其他工况的振动结果进行预测。 结 论本课题通过建模软件UG建立驱动桥壳的三维模型，用有限元分析软件ANSYS对桥壳进行分析，得到结构的应力应变的分布情况，指出桥壳工作时的危险截面，提高其强度，防止失效；进行模态分析，得到前6阶下的模态分析云图，以直观显示桥壳在各阶模态下振型和固有频率，避免结构在工作过程中出现共振。在静力学分析中，根据总应变分布云图，桥壳的最大变形发生在桥壳的中部，随着桥壳由中部向两端延伸

47、，变形量逐渐减小，且桥壳左右两部分的应变分布情况基本相同，桥壳的最大变形量小于许用刚度，所以桥壳满足刚度条件；根据等效应力分析云图可知，桥壳中部所受应力最小，桥壳左右两半部分应力分布情况基本相同，从弹簧座开始，应力明显增大，在有结构突变处，出现应力最大值，有明显的应力集中现象，在凸缘盘与桥壳连接处的应力值也较大，桥壳所受最大应力小于许用应力，此外在最大应力处，桥壳的变形量也远小于许用刚度，所以桥壳的强度和刚度均符合要求。对于工程中的结构，必须要同时满足刚度条件和强度条件，而大多数情况下，结构的强度条件起着至关重要的决定性作用，所以一般情况下是在强度危险截面进行刚度校核。为了提高桥壳的强度，要合

48、理安排支座位置，结合汽车实际布置情况，合理的改善两弹簧座间的距离，减小最大弯矩；选择合理的截面形状，提高桥壳的抗弯截面系数；合理设计桥壳的结构，避免结构尺寸突然变化，避免应力集中，提高焊接质量，避免出现缺陷。为了提高桥壳的刚度，可以改变力的施加方式，减小弯矩；可以增加约束，合理的增加支承点数目，减小最大变形量；选择合理的截面形状，增大桥壳的惯性矩；还可以减小汽车的横向尺寸，以减小桥壳的长度，降低最大变形量；在必要时，可以再桥壳上施加预变形，预变形的方向与桥壳实际的变形方向相反，以达到减小受力变形的目的。在模态分析中，结合常规模态分析和预应力模态分析结果可知，在两种情况下，驱动桥壳各阶模态下的频

49、率和振型都没有很大差别，这说明频率和振型属于物体的固有特性，与施加给结构的应力没有关系，在受到预应力后，桥壳的刚度也没有显著的变化，各部分的变形情况基本相同。在实际工况中，驱动桥作为传动系的末端结构，驱动桥壳在受到力和力矩的影响后，其振型和频率也会受到轻微的扰动。在一阶模态下，桥壳在XY平面内发生了一阶弯曲，其中桥壳中部的变形最大；在二阶模态下，桥壳在XZ平面内发生一阶弯曲，桥壳中部变形最大；在三阶模态下，桥壳绕X轴发生扭转，最大变形发生在桥壳中部，且变形区集中；在四阶模态下，桥壳在XZ平面内发生了二阶弯曲，最大变形发生在桥壳中部两侧，即轴套中部；在五阶模态下，桥壳在XY平面内发生二阶弯曲，最

50、大变形发生在轴套中部；在六阶模态下，桥壳在XY平面内发生三阶弯曲，变形严重，最大变形出现在轴套中部和桥壳中部顶端。结合云图可以看出，在三阶模态下，桥壳发生扭转变形时所产生的变形最大，且变形非常集中，危害很大，应尽力避免桥壳在此频率下发生共振。实际工况中应主要考虑桥壳在前两阶模态下的状态，因为其他模态下的桥壳变形严重，出现了扭转、二阶弯曲，甚至三阶弯曲，此刻的桥壳已不能正常工作，而前两阶模态中，最大变形都发生在桥壳中部，轴套中部变形也较严重，所以在桥壳设计中，应着重考虑桥壳中部以及轴套中部的模态分布情况。一般情况下，在汽车行驶过程中，对整个系统来说路面是最主要的激励源，而多数情况下路面所引起的激

51、励频率范围约为050Hz,结合表5-1、表5-2可知，两种工况下的各阶模态频率均远大于50Hz，有效的避免了驱动桥与地面之间发生共振，该桥壳的结构设计合理。在以后的研究工作中，可以在汽车转弯、制动或漂移等工况下，对桥壳施加合理的载荷和约束，通过一系列的强度分析来保证桥壳的强度、刚度满足实际要求；此外结合桥壳的模态分析结果，预测汽车在不同激励源下，桥壳的振动状态，还可以筛选适合的发动机，以避免与发动机发生共振，结合桥壳的静应力分析结果和模态分析结果，进一步优化桥壳结构。 参 考 文 献1 孙辉,王吉忠,沙德文等.微型车驱动桥壳结构强度与模态分析.机械设计与制造，2011年08期2 王望予.汽车设计.第二版.北京：机械工业出版社，20073 刘维信. 汽车车桥设计. 北京：清华大学出版社，20044 李海斌.汽车驱动桥壳的试验模态分析研究.拖拉机与农用运输车