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[摘 要]汽车驱动桥壳是汽车静止和运动时的主要承载和传力部件，运用Ansys软件分析汽车驱动桥壳，对最大垂向力工况静力分析，驱动桥壳寿命分析，结合分析结果提出了优化措施。
[关键词]Ansys 汽车驱动桥壳 有限元
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0248-02
截至2011年底，全球的汽车包括重型卡车在内，共有9.79亿辆汽车在路上行驶，汽车安全问题首当其冲。仅2012年上半年，中国共发生道路交通事故190270起，造成41933人死亡、221838人受伤，直接财产损失7.1亿元。汽车驱动桥壳是整个汽车承载传动系统最重要的主要部件之一，对汽车驱动桥壳进行基于ANSYS的有限元分析具有重要的实际工程实践意义。
1.模拟汽车驱动桥壳参数
采用模拟软件为Ansys11.0，采用模块为Ansys DesginModeler中的参数优化模型。网格模拟时忽略放油孔、螺栓孔等对桥壳承载力影响不大的部件，而保留固定环、钢板弹簧等结构。桥壳与轮边支撑轴为通过焊接结构，可将桥壳与轮边支撑轴视为一体，忽略焊接质量、焊缝等对桥壳强度的影响。
2.桥壳有限元分析
模拟方法“结构离散—单元分析—整体求解”。 选择10节点的92号单元，对其进行网格划分，得到15，149个单元，30，761个节点。网格化后的桥壳参数优化模型如图2-1所示。
桥壳不失效的临界条件为向下垂向力平均施加到弹簧座上的各个节点，将桥壳两端车轮中心线处全部约束。此工况为汽车满载并通过不平路面，受冲击载荷的工况，这时暂不考虑侧向力和切向力。此时的桥壳犹如一个简支梁，桥壳通过半轴套管轴承支于轮毂上，半轴套管的支撑点位于车轮的中心线上，垂直载荷取2.5倍满载轴荷，载荷施加在两个钢板弹簧座上。该型号汽车施加载荷G为0.98×105N，从而施加在两个钢板弹簧上座上，最大垂向力力为1.225105N。
2.1 变形分析
图2-1为冲击载荷下桥壳变形。垂向位移最大值为0.3614mm。除去轮距得0.1933mm，《汽车驱动桥台架试验评价指标》 规定满载轴荷时每米轮距最大变形不超过1.5mm/m，此值小于每米轮距最大变形1.5mm（QC/ T534-1999）的要求。可知其满足设计使用要求。
2.2 应力分析
在冲击荷载作用下，在桥壳过渡处以及月牙开口处出现应力集中的情况，也是最大应力点，其最大应力值为165.69MPa，发生在钢板弹簧座附近。大部分部位的应力值在36.821～73.641M Pa之间，应力集中部位的应力值大约在128.87MPa左右，此值小于桥壳材料16Mnl的许用应力211～238MPa，分析表明桥壳亦满足应力强度要求。
2.3 模态分析
弹性结构的振动本质上是连续体的振动，其位移是连续的。有限元离散化后，连续系统的振动就被离散成很多个自由度系统的振动。因为使用Ansys11.0计算桥壳的模态时，没有约束桥壳的自由度，所以计算结果的前6个模态频率为零，第7个模态频率对应的模态为实际的第一阶模态，以此类推。一般来说，一阶自振频率所引起的共振往往会引起结构较大的应变和应力，高阶的影响则很小。从计算结果来看，桥壳第四、五阶模态频率较为接近，其余几阶间隔较大，外界干扰频率只能同某一频率接近，而不可能同时与几阶频率接近。由于路面不平度引起的汽车振动频率多在 1～20Hz，所以不会由路面激振而引起桥壳的共振，桥壳结构比较合理。不会造成驾驶不适感和机械部件的损坏情况。
2.4 疲劳分析
驱动桥壳疲劳试验属于低应力高周疲劳，采用应力寿命曲线（S-N curve），通过上述变形、应力、模态分析，可以得出的结论是，应力是直接决定了汽车桥壳寿命的重要因素。将S-N关系输入到 ANSYS Workbench 进行疲劳寿命分析，采用应力-寿命法。通过加权平均法来考虑载荷条件与工况，根据疲劳累计计算出该汽车驱动桥壳抗最大应力冲击次数可达500.23万次，大于《汽车驱动桥台架试验评价指标》中规定的中值寿命80万次。
3.汽车驱动桥壳优化建议
目前结构优化有两种主要途径。一是通过拓扑优化方法在其最大设计空间内寻找材料的最优分布。能够在满足所需性能的前提下，达到所需的最小柔顺度、体积或质量。但是拓扑优化存在不能控制结构局部强度的缺点。另一种是形状优化，能够使局部强度和刚度达到指定目标的同时质量和体积最小化。针对本文提到的驱动桥壳的改进，根据尺寸优化及自由尺寸优化的结果，考虑桥壳本体厚度仍采用8mm，在桥壳本体过渡圆角处添加2mm的局部加强板，加强板采用焊接的方式与桥壳本体连接。
4.结论
有限元法出现以后，由于其能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题，因而在实际中得到广泛应用，成为一种可靠的新的数值计算方法，并取得许多实际效益。
参考文献
[1] 王聪兴，冯茂林.现代设计方法在驱动桥设计中的应用[J].公路与汽运. 2004（04）.
[2] 郑燕萍，羊玢.汽车驱动桥壳台架试验的有限元模拟[J].南京林业大学学报（自然科学版）.2004（04）.
[3] 陈效华，刘心文.基于有限元方法的微型汽车驱动桥结构分析[J].中国制造业信息化.2003（04）.
[4] 谭雪松，吕庭豪，刘土光.Pro/ENGINEER的典型设计思想及建模方法评价[J].船海工程.2003（01）.
[5] 董益亮，郭钢，徐宗俊，刘增云.道路激励作用下的汽车后桥动力响应分析[J].汽车工程.2002（04）.
作者简介
1.黄俊（1980.3— ），性别：男，民族：汉，籍贯：江西九江，学历：本科，职称：中级工程师，研究方向：机械设计可靠性。
2.张有亮，籍贯：黑龙江哈尔滨。
[关键词]Ansys 汽车驱动桥壳 有限元
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0248-02
截至2011年底，全球的汽车包括重型卡车在内，共有9.79亿辆汽车在路上行驶，汽车安全问题首当其冲。仅2012年上半年，中国共发生道路交通事故190270起，造成41933人死亡、221838人受伤，直接财产损失7.1亿元。汽车驱动桥壳是整个汽车承载传动系统最重要的主要部件之一，对汽车驱动桥壳进行基于ANSYS的有限元分析具有重要的实际工程实践意义。
1.模拟汽车驱动桥壳参数
采用模拟软件为Ansys11.0，采用模块为Ansys DesginModeler中的参数优化模型。网格模拟时忽略放油孔、螺栓孔等对桥壳承载力影响不大的部件，而保留固定环、钢板弹簧等结构。桥壳与轮边支撑轴为通过焊接结构，可将桥壳与轮边支撑轴视为一体，忽略焊接质量、焊缝等对桥壳强度的影响。
2.桥壳有限元分析
模拟方法“结构离散—单元分析—整体求解”。 选择10节点的92号单元，对其进行网格划分，得到15，149个单元，30，761个节点。网格化后的桥壳参数优化模型如图2-1所示。
桥壳不失效的临界条件为向下垂向力平均施加到弹簧座上的各个节点，将桥壳两端车轮中心线处全部约束。此工况为汽车满载并通过不平路面，受冲击载荷的工况，这时暂不考虑侧向力和切向力。此时的桥壳犹如一个简支梁，桥壳通过半轴套管轴承支于轮毂上，半轴套管的支撑点位于车轮的中心线上，垂直载荷取2.5倍满载轴荷，载荷施加在两个钢板弹簧座上。该型号汽车施加载荷G为0.98×105N，从而施加在两个钢板弹簧上座上，最大垂向力力为1.225105N。
2.1 变形分析
图2-1为冲击载荷下桥壳变形。垂向位移最大值为0.3614mm。除去轮距得0.1933mm，《汽车驱动桥台架试验评价指标》 规定满载轴荷时每米轮距最大变形不超过1.5mm/m，此值小于每米轮距最大变形1.5mm（QC/ T534-1999）的要求。可知其满足设计使用要求。
2.2 应力分析
在冲击荷载作用下，在桥壳过渡处以及月牙开口处出现应力集中的情况，也是最大应力点，其最大应力值为165.69MPa，发生在钢板弹簧座附近。大部分部位的应力值在36.821～73.641M Pa之间，应力集中部位的应力值大约在128.87MPa左右，此值小于桥壳材料16Mnl的许用应力211～238MPa，分析表明桥壳亦满足应力强度要求。
2.3 模态分析
弹性结构的振动本质上是连续体的振动，其位移是连续的。有限元离散化后，连续系统的振动就被离散成很多个自由度系统的振动。因为使用Ansys11.0计算桥壳的模态时，没有约束桥壳的自由度，所以计算结果的前6个模态频率为零，第7个模态频率对应的模态为实际的第一阶模态，以此类推。一般来说，一阶自振频率所引起的共振往往会引起结构较大的应变和应力，高阶的影响则很小。从计算结果来看，桥壳第四、五阶模态频率较为接近，其余几阶间隔较大，外界干扰频率只能同某一频率接近，而不可能同时与几阶频率接近。由于路面不平度引起的汽车振动频率多在 1～20Hz，所以不会由路面激振而引起桥壳的共振，桥壳结构比较合理。不会造成驾驶不适感和机械部件的损坏情况。
2.4 疲劳分析
驱动桥壳疲劳试验属于低应力高周疲劳，采用应力寿命曲线（S-N curve），通过上述变形、应力、模态分析，可以得出的结论是，应力是直接决定了汽车桥壳寿命的重要因素。将S-N关系输入到 ANSYS Workbench 进行疲劳寿命分析，采用应力-寿命法。通过加权平均法来考虑载荷条件与工况，根据疲劳累计计算出该汽车驱动桥壳抗最大应力冲击次数可达500.23万次，大于《汽车驱动桥台架试验评价指标》中规定的中值寿命80万次。
3.汽车驱动桥壳优化建议
目前结构优化有两种主要途径。一是通过拓扑优化方法在其最大设计空间内寻找材料的最优分布。能够在满足所需性能的前提下，达到所需的最小柔顺度、体积或质量。但是拓扑优化存在不能控制结构局部强度的缺点。另一种是形状优化，能够使局部强度和刚度达到指定目标的同时质量和体积最小化。针对本文提到的驱动桥壳的改进，根据尺寸优化及自由尺寸优化的结果，考虑桥壳本体厚度仍采用8mm，在桥壳本体过渡圆角处添加2mm的局部加强板，加强板采用焊接的方式与桥壳本体连接。
4.结论
有限元法出现以后，由于其能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题，因而在实际中得到广泛应用，成为一种可靠的新的数值计算方法，并取得许多实际效益。
参考文献
[1] 王聪兴，冯茂林.现代设计方法在驱动桥设计中的应用[J].公路与汽运. 2004（04）.
[2] 郑燕萍，羊玢.汽车驱动桥壳台架试验的有限元模拟[J].南京林业大学学报（自然科学版）.2004（04）.
[3] 陈效华，刘心文.基于有限元方法的微型汽车驱动桥结构分析[J].中国制造业信息化.2003（04）.
[4] 谭雪松，吕庭豪，刘土光.Pro/ENGINEER的典型设计思想及建模方法评价[J].船海工程.2003（01）.
[5] 董益亮，郭钢，徐宗俊，刘增云.道路激励作用下的汽车后桥动力响应分析[J].汽车工程.2002（04）.
作者简介
1.黄俊（1980.3— ），性别：男，民族：汉，籍贯：江西九江，学历：本科，职称：中级工程师，研究方向：机械设计可靠性。
2.张有亮，籍贯：黑龙江哈尔滨。