差速器壳三维造型及有限元分析

汽车差速器壳的三维造型及有限元分析摘要：差速器壳设计是汽车设计中最重要、承载最复杂的运动件之一，对差速器壳的强度分析一直受到设计者的重视。由于差速器壳的几何形状、边界条件和作用载荷都非常复杂，按照传统的方法进行试验研究难度较大，这就要求我们采用新的研究方法来研究和分析差速器壳。本文通过运用PROE绘图软件，绘制差速器壳三维实体模型，然后运用ANSYS分析软件对差速器壳进行强度分析，通过对差速器壳模型进行网格划分、差速器壳负载及边界条件的设定，计算求解得出差速器壳应变分布图及应力分布图，从而找出差速器壳易破坏部位，寻找到提高差速器壳强度的措施。设计差速器壳时，取用较大的过渡圆角，以提高其疲劳强度。关键词：差速器壳，强度，PROE，ANSYSAbstractThedifferentialcaseisoneofthemostimportantmotionparts,whichbearsthemostcomplexload,andcontinuouslythedifferentialcaseintensityanalysisisvaluedbythedesigners.Itismuchtoodifficulttocarryontheexperimentalstudybythetraditionalmethodforthegeometryshapeofdifferentialcase,boundaryconditionandextremelycomplicatedfunctionload,soanewresearchtechniquetostudyandanalyzedifferentialcaseisrequestedtouse.PROEcartographysoftwareisutilizedinthisthesistoprotractsemiaxixthreedimensionalfull-scalemockups,thentheintensityanalysisforthedifferentialcasebyusingANSYSanalysissoftwareis2.1.2Pro/ENGINEER2.1.2Pro/ENGINEER系统特点4carriedon.Thedifferentialcasestraindistributionmapandthestressdistributionmapareobtainedthroughcarryingonthegriddivision,thedifferentialcaseloadandtheboundaryconditionhypothesistothedifferentialcasemodel,thustheexposeddestructivepositioninthedifferentialcasecanbediscovered,andsomewaysareseekedtoenhancethedifferentialcaseintensity.Whendesigningthedifferentialcase,thebiggertransitionfilletcanbeusedtoenhancetheanti-fatiguestrength.Keyword:differentialcase,Intensity,,PROE，ANSYS目录1.1课题的背景1.2差速器壳的研究现状课题的主要研究内容及意义2差速器壳的三维实体建模Pro/ENGINEER概述Pro/ENGINEER系统简介44参考文献参考文献3...3.3.Pro/ENGINEER的应用现状2Pro/ENGINEER的工作环境和系统设置硬件要求操作系统设置基本功能3差速器壳三维实体建模过程差速器壳强度的有限元分析231ANSYS概述231.1ANSYS简介231.2ANSYS的主要功能和技术特点241.3ANSYS的系统要求241.4ANSYS的基本分析过程24差速器壳强度的有限元分析231ANSYS概述231.1ANSYS简介231.2ANSYS的主要功能和技术特点241.3ANSYS的系统要求241.4ANSYS的基本分析过程241.5ANSYS的发展和应用252ANSYS菜单和窗口介绍253基于ANSYS差速器壳强度分析2732结论32致谢及声明致谢及声明341引言1.1课题的研究背景差速器壳是汽车设计中最重要、承载最复杂的运动件之一，对差速器壳的强度分析一直受到设计者的重视。确定差速器壳应力应变状况的方法有两种:一是利用模拟或模型试验以至零件的实际试验来确定;二是利用计算来确定。在利用计算来进行强度分析时,传统的截断简支梁法和连续梁法由于作了太多简化,因此难以保证计算精度。随着有限元计算技术的发展，用有限元法对差速器壳进行强度分析已成为差速器壳设计、校核分析中常用的方法。目前，随着计算机软硬件水平的提高，分析模型的建立渐渐趋向实际，提高了模拟计算的精度，更好地模拟工程实际情况。1.2课题的主要研究内容及意义该课题主要通过运用PROE绘图软件，绘制重型汽车差速器壳三维实体模型，然后运用ANSYS分析软件对差速器壳进行强度分析，通过对差速器壳模型进行网格划分、差速器壳负载及边界条件的设定，计算求解得出差速器壳应变分布图及应力分布图，找出差速器壳易破坏部位，寻找提高差速器壳强度的措施，为以后的差速器壳设计和开发打下良好的基础和提供准确而可靠的理论依据；同时，有限元方法的应用为大幅度提高差速器壳应力的计算精度提供了条件,它们将是今后我们进行各种强度计算的主要手段之一。在毕业设计的过程中，我们应当充分发挥自己的主观能动性，积极思考，勇于创新，开阔自己的思维方式，为将来的学习和工作打下良好的基础。2汽车差速器壳的三维实体建模Pro/ENGINEER概述Pro/ENGINEER系统简介Pro/ENGINEER是美国参数技术公司（ParametrieTechnologyCorporation）于1988年率先推出的以参数化为基础、以三维造型为设计模式的CAD/CAE/CAM系统，其最新版本Pro/ENGINEERWildfire于2003年正式发布。由于其强大的功能，现已广泛应用于电子、通信、机械、模具、工业设计、汽车、自行车、航天、家电、玩具等各个行业，成为提供工业解决方案的有力工具。随着Pro/ENGINEER的推广和应用，在国内外市场形成了十分热烈的3D设计新局面。Pro/ENGINEER可谓是个全方位的三维产品开发软件，集合了零件设计、产品组合、模具开发、数控加工、钣金件设计、铸造设计、造型设计、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据库管理功能于一体，模块众多。Pro/ENGINEER作为三维造型设计系统，是一套由设计至生产的机械自动化软件，其功能强大，用途广泛，是新一代Pro/ENGINEER系统软件。它以尺寸驱动、特征建模、全参数设计、单一全关联的数据库、虚拟现实及多数据接口等优点改变了传统的设计观念，使设计工作直观化、高效化、精确化和系统化，成为目前图形分析领域的新标准。与传统的图形分析系统仅提供绘图工具不同，Pro/ENGINEER提供了一套完整的机械产品解决方案，包括工业设计、机械设计、模具设计、钣金设计、加工制造、机构分析、有限元分析和产品数据库管理，甚至包括了产品生命周期，是多项技术的集成产品。Pro/ENGINEER的主要特征有：（1）3D实体模型；（2）单一数据库；（3）基于特征的参数化实体建模；（4）行为建模技术；（5）机构设计技术；（6）强大的装配功能；（7）NC加工；（8）二次开发技术。Pro/ENGINEER系统特点Pro/ENGINEER作为一种全参数化的计算机辅助设计系统，与其他计算机辅助设计系统相比拥有许多独特的特点，充分了解这些特点后能够正确理解其设计理念，使产品的设计不仅能够满足要求，而且具有很强的弹性和灵活性，下面简要介绍其中主要的5个特点。三维实体造型Pro/ENGINEER是一个实体建模器，允许在三维环境中工作，通过各种造型手段达到设计目的，能够将用户的设计思想以最逼真的模型表现出来，用户能够更直接地了解设计的真实性，避免了传统设计中点、线、面构成几何的不足。以特征造型为基础Pro/ENGINEER是一个基于特征的实体建模工具，系统认为特征是组成模型的基本单元，实体模型是通过多个特征的创建完成设计，也就是说实体模型是特征的叠加。参数化Pro/ENGINEER是一个全参数化的系统，几何形状和大小都由尺寸参数控制，在产品设计过程中使用的所有尺寸参数与物理参数都存放于单一的数据库中，可随时修改这些尺寸参数并可对设计对象进行分析，计算出模型的体积、面积、质量、惯性矩等；特征之间存在着相依的关系，即所谓的“父—子”关系，使得某一特征的修改，同时会牵动其他特征的变更；可以运用强大的数学运算方式，建立各特征之间的数学关系，使得计算机能够自动地计算出模型应有的形状和固定位置。相关性Pro/ENGINEER创建的三维零件模型以及由此产生的二维工程图、装配部件、模具、仿真加工等，它们之间双向关联，采用单一的数据管理，既可以减少数据的存储量以节约磁盘空间，又可以在任何环节对模型进行修改，同时与模型相关的对象也会自动修改，保证了设计数据的统一性和准确性，也避免了因反复修改而花费的大量时间。系列化Pro/ENGINEER能够依据创建的原始模型，通过家族表改变模型组成对象的数量或尺寸关系，建立系列化的模型，这也是建立国家标准件库的重要手段之一。Pro/ENGINEER的应用现状Pro/ENGINEER在各行各业中的应用越来越广泛、越来越深入，虽然和Pro/ENGINEER等二维绘图软件相比，Pro/ENGINEER的使用相对要难得多，但这并没有阻止人们对它的学习、使用及开发。这也充分说明了Pro/ENGINEER具有人们所渴望的优良的性能和灵活多变的开发方法。连杆的计算机辅助设计系统连杆设计过程中采用Pro/ENGINEER做零件的参数化设计平台，用Pro/Mechnaic做有限元分析平台，利用VC++语言，经二次开发制成。该系统实施变结构、变参数设计方法，将设计、分析、绘图等不同功能的模块有机结合。该文中设计和分析采用同一数据库，避免了数据交换中可能发生的丢失和错误。叶轮叶片的实体造型在设计叶轮叶片时，可从现有的水力设计CAD软件出发，利用数据预处理程序，结合Pro/ENGINEER软件，较好地实现了叶轮叶片的实体造型，缩短了在Pro/ENGINEER中重新建模的时间，且保证了加工出的叶轮更符合水泵性能要求。齿轮的造型设计渐开线齿轮由于具有能保证特定传动比传动、受力方向不变等优点，被广泛应用于航空、汽车、机床和自动化生产线等各种通用机械中。渐开线齿轮齿形比较复杂，一些低端的CAD软件必须通过编写程序才能完成它的造型，而在Pro/ENGINEER环境下，则可以用多种建模方法来精确造型，方便快捷，还可以通过其内部的开发工具程序(Pro/Program)，添加简单的几句控制语句，人机交互地输入设计变量值，实现渐开线齿轮自动化造型。汽车风扇模具设计在传统的汽车风扇产品设计、模具设计和加工当中，往往是根据经验设计风扇外形，通过手工做模来进行模具设计和加工，加工出来的产品，往往一次不能满足要求，这就要不断地修改产品设计，从而导致修模，有时整个模具都报费，这不仅使产品开发周期加长，而且开发成本大大提高。利用Pro/ENGINEER软件来实现三维设计，从而大大地缩短了产品研发的周期、模具设计周期和加工周期，提高了产品设计的准确性，降低了产品开发和模具设计成本。Pro/ENGINEER的工作环境和系统设置硬件要求虽然Pro/ENGINEERWildfire的软件说明书并没有对计算机硬件提出明确的要求，但为了保证软件安全、正常地使用，在安装系统时，最好按以下要求配置计算机硬件：•CPU:lGHz以上；•内存：一般选择256MB。如果经常设计复杂零件、大型装配、结构分析、运动仿真或产生NC加工程序，则应选择512MB以上的内存；•显卡：选择专业显卡，也可选择NVGF2或ATI7500以上的显卡;•硬盘：由于软件的最小安装空间需要900MB，全部安装则需要2.3GB的硬盘空间，所以计算机的硬盘空间至少3.0GB;显示器：一般选择17寸或17寸以上的显示器;鼠标：最好使用光电或机械三键滚轮式鼠标。操作系统设置为了更方便地使用Pro/ENGINEER软件，安装软件前需要对计算机进行系统设置，主要包括环境变量和虚拟内存的设置。设置方法如下：瞞拦「JF蝴靜Ir目动艇任酱芒onp将枉碍特花苴湎□的瞒心「期酣妙⑥P显示海fJBai切计ffi&SIi-4邱：.」=计ffi&SIi-4邱：.」=E通靳L：r墨觀犬蹄!顽，握媲咋赠厘员坯.图2-1任务栏与开始菜单统属性图2-2系鼠标右击任务栏，选择【属性】，系统显示如图2-1所示的对话框，在【［开始］菜单】中选择【经典［开始］菜单】，点击【确定】。返回桌面，右击我的电脑图标，点击【属性】，得到图2-2系统属性窗口，选择高级，点击环境变量，弹出环境变量对话框。环境变量对话框中选择【新建】，弹出“编辑用户变量”对话框，如图2-3所示。图2-3编辑用户变量在变量名文本框中输入lang，变量值中输入chs，然后点击【确定】完成对环境变量的设置。fu=；'ij：i■聂大值㈣g：r•謎着酗林fu=；'ij：i■聂大值㈣g：r•謎着酗林朋r无出眩恃®「所百拥雕贝面［丈件大-1谢1总誌靛F細汕社e®推善：IH当前己•骨出15&PBC.1^=1512D::■::■■店业设计］1[LEIOH：|]珈器I往釈］「所也P麟的夏百丈件式小图2-4图2-4性能选项窗口图2-5虚拟内存窗口在图2-2所示的窗口中选择性能框中的【设置】，在弹出的对话框中选择【高级】，如图2-4所示。在性能选项对话框中点击【更改】，弹出虚拟内存对话框，如图2-5所示。

（6）在初始大小文本框中输入1024（其值应至少达到物理内存的2倍），在最大值文本框中输入2048（其值应至少达到物理内存的4倍），设置完毕后，点击【确定】即可。EX1世・四彈臭①.H-W£*JGRWiEi工H•曲审口M址的QEX1世・四彈臭①.H-W£*JGRWiEi工H•曲审口M址的Q|□哎口日G*||巾C辛尊玉閒二"］厉1A驾％气冋5Uli占Hebnllrjr'FWiflI4C升lRi.lM-4图2-6Pro/ENGINEER工作界面基本功能Pro/ENGINEER系统安装完成后，双击桌面图标，回打开如图2-6所示的工作界面。工作界面中包括主菜单、导航器、IE浏览器、图形显示区、模型工具栏、特征工具栏、特征元素工具栏、信息提示区、命令解释区、智能选取过滤器等。（1）主菜单主菜单位于窗口的顶端，集合了大量的Pro/ENGINEER操作命令，主要有以下功能：管理设计模型文件、编辑设计模型、控制系统和设计模型的显示模式、插入各种组成单元、对设计模型进行数学分析、在标准模块与其它应用模块之间进行切换等等。菜单如图2-7所示。立杵⑴體辑叩描入⑴分析⑧｛SA（MJ应用保序⑵iSd'j畐口迥ffltoQf）图2-7菜单栏工具栏模型工具栏位于主菜单的下方，包含了Pro/ENGINEER用于模型操作的常用快捷方式，在不同的工作模式下显示的快捷图标有所不同，工具栏中的各按钮的功能与菜单栏中对应的命令功能相同，工具栏中的按钮可以通过【工具】|【定制屏幕】菜单命令进行个人定义。如图2-8所示。&启曰场耳」|］耳耳耳叵|］匠区岡瓦|］斡|］［3卩莎罠鱼回苗戈目屁图2-8模型工具栏特征工具栏特征工具栏位于窗口的右侧，它包含了Pro/ENGINEER中用于创建特征的常见快捷方式，在不同的工作模式下显示的快捷图标有所不同，特征工具栏中的按钮功能是创建不同的特征。如图2-9所示。图2-9特征工具栏叵氈中H凰0bd7adb5c24MK毎』驶S3〕!白「曰C)DesktopH凰0bd7adb5c24MK毎』驶S3〕!白「曰C)DesktopFavorteaLocalSbtlirhui>>[Jll-异DocijiiefttsaridSettAppll.匚4.11Cookies匚4⑨冏勺询自日s:-ttai乂~--■；-.-：■：■-：■.■-■-.■；■■-■■■■，--..._^：--■-■；■■—总fia&PTCTkPiidjdDnUi沖stPr^NGHEERVniffiieiJO^K中打弟埶云3.nhwt:.翱HP9Iifflp^wwwjrtc-mnHommiaitvpr(wid£ntwtooK'iiwlMUrtii才呵GLififlH虫翱HP9I-J'EMGINEEFJf^[l：Ji=Zii7,r：-.E':EE:i■：■■<■--3^=7,r：-.E':EE:i■：■■<■--3^=：i：：.•：；.左一.…：：.:l'r::■-,FF=I「:一m:：9-r■”E-tx・1IIIme■產于帼］踽in图2-11浏览刃图2-11浏览图2-10导航器器导航器导航器一般位于界面的左侧，如图2-10所示，单击<可以收缩关闭导航器，也可通过点击’来重新打开导航器，导航器的四个选项卡对应着四项基本功能：模型树选项卡可以以树的形式显示模型的各基准、特征等信息；文件夹浏览器选项卡可在其右侧的浏览器中显示该文件夹的所有文件，也可以新建或删除文件夹；收藏夹选项卡可以收藏存储用户所选定的文件夹，也可以对其进行编辑；连接选项卡可连接快速访问有关PTC解决方案的页面和服务程序。浏览器我们可以通过浏览器可以访问网站和一些在线的目录信息，还可以显示特征的查询信息等。如图2-11所示。命令提示栏命令提示栏可以提示命令的执行情况和下一步操作的信息。如图2-12所示。0选取一个苴銓-负口果首选内部苴瑩‘可在血置面根中找到"歸辑"选顶°)重定商视園图2-12命令提示栏三维实体建模过程双击图标打开Pro/ENGINEER程序，在打开的窗口(如图2-13所示)中选择【文件】|【新建】，会弹出“新建”对话框(如图2-14所示)，选择“零

件”，取消使用缺省模板，点击【确定】。在弹出的“新文件选项”对话框（如图2-15所示），选择"mmns_part_solid"，点击【确定】。-口口口口口口口口阳冲UCQ_-口口口口口口口口阳冲UCQ_l«KiUttfg4-F^rF>I!JE.ai...1■j£Cu4iGLaArarrijii.^-bh]r4L,-lrt**ftrt>ri!£iH-'图2-13初始窗口r■飯金件广主体职消］公共若称名称prtOD020此囤□目占r■飯金件广主体职消］公共若称名称prtOD020此囤□目占-a一□厂狼厌皺負1蜜jf]图2-14“新建”对话框项”对话框图2-15jf]图2-14“新建”对话框项”对话框图2-15“新文件选xj於置I苴蛉平面平面|mn：F3睡筋先前的I苴登方向苴金视團方向反向I歩照|肛中fiwiffifS平面)方向1右创草塑1Kiffi|图2-16“草绘”对话框在打开的窗口中，选择拉伸按钮

，选择【放置】|【定义】，在图形显示区中选择right面，弹出图2-16所示对话框，点击【草绘】，进入草绘状态，根据图纸的设计尺寸要求，在草绘界面中绘出图2-17后点击V按钮，完成【草绘】。检查无误后，点击创按钮，得到图2-18。图2-17绘图结果图2-18草绘图

心朮选題一亍草腔”期果首述内却■!燼」可在放査面復中扌題■细青选臥J

中：「丙航L□J^~T|3HJ.00v~X匚RlSf堆現剧堆5r图2-19旋转对话框图5r图2-19旋转对话框图2-20旋转选择旋转工具oj&，在窗口的左上角出现图2-19所示的对话框，以中间轴线为对称轴旋转360度，击按钮，到图2-20所示的旋转图。选择倒圆角工具按钮0，选择要倒角的部分，在窗口的左上角出现图2-21对话框，输入数值，点击按钮，到图2-22示的倒角图。匸旨史昌QQjcc站龟迫陟拦赢二副尸岔"DOv|过漫&堆项屈性刁罢住CIH鯉选取迈氏■岳E到耒中》或.旦辽观-弟边岔"DOv|过漫&堆项屈性设豈□口口图2-21图2-22图2-23倒角2图2-24同理作图2-23作螺纹孔草绘图，作如图2-25所示，点击选择旋转工具，出现如图2-25所示的对话框，输入数值，击图2-25螺纹孔草绘心仓乞肌j•耳芝.on壬甘迄刁邵巧空」可庄斑宜直电匸芸纠■■垢阳■■世：回P曲I内都口|匡”|36Q.QQ~M]%圈匚%tie起顶屈性?...Ife曲图2-26螺纹孔草绘对话框1专比■芒亡单手応/旺N冲心-a¥HmII比也mvriH7图2-27选择阵列按钮，出现如图2-27所示的对话框，输入所需的数值，击按钮，到图2-28所示的阵列图。RIGHT——图2-28图2-29(8)侧边开口，在草图对话框中输入要切割的数值，点击拉伸，如图2-29所示，击按钮，得到图2-30所示的图形。图2-30图2-31点击选择需要镜像得部分实体，点击镜像按钮，选择中间轴为对称轴，点击完成的到如图2-31所示的镜像图。图2-32

开侧边孔，点击拉伸命令，如图2-32所示，出现2-34所示对话框。输入所需数值，点击完成，得到如图2-33所示图形。I6HTPRT入所需数值，点击完成，得到如图2-33所示图形。I6HTPRTEF{!!'图2-33侧孔£电选取一吓苴绘.戲］果首选内剖草连>可在放置面换中找到囁叵］口［W-iiS3.ooa%辺匚％鼓置進顶属性—if『■一I11图2-34对话框画肋板，在差速器壳的顶端面上画肋板，画出如图2-35所示的图形，点击阵列按钮，出现如图2-36所示的对话框，输入所需数值，点击完成，得到如图2-37所示图形图2-35图2-360pRi.cs^s_[}[r图2-37（12）完成整个图形。第三章差速器壳强度有限元分析ANSYS概述ANSYS简介ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。ANSYS作为一种工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般