基于有限元法的微型车驱动桥结构分析及疲劳寿命预测研究

摘要

驱动桥是汽车的重要组成部分，它不仅要把发动机输出的扭矩传递到车轮以驱动汽车行驶，还要承受车架以及路面传递的各种力及力矩，因此驱动桥必须有足够的强度、刚度和疲劳寿命。目前汽车工程师普遍采用经验公式来设计驱动桥，导致了驱动桥在某些工况下的强度和刚度不能满足使用要求，在高应力的局部区域极易出现疲劳破坏，而应力低的部位所用材料又过剩。本文采用有限元法对微型车驱动桥的刚度、强度及疲劳性能进行分析，在此基础上提出合理的改进方案。 本文利用大型三维建模软件CATIA建立了微型车驱动桥的三维几何模型，将几何模型导入前处理软件HyperMesh中，利用壳单元和实体单元划分网格，并建立合适的MPC单元以方便载荷和约束的施加，最终得到驱动桥的有限元模型。 利用通用有限元分析软件ANSYS对驱动桥各工况下的受力进行分析，得到驱动桥的应力分布及变形状况，并对驱动桥桥壳的垂直弯曲刚度和强度试验进行有限元模拟，验证了该驱动桥的静强度和刚度。 基于驱动桥有限元结构分析结果，利用专业疲劳分析软件MSC.Fatigue，进行了驱动桥各组件及总成的疲劳寿命预测，得到了驱动桥疲劳寿命云图及最低疲劳寿命。 对桥壳的垂直弯曲刚性和静强度试验以及驱动桥桥壳垂直弯曲疲劳试验进行了研究，试验结果显示，驱动桥桥壳的刚度、强度及疲劳寿命满足国家标准的要求，同时还验证了驱动桥有限元分析方法的合理性与结果的准确性。 论文最后根据驱动桥的结构分析及疲劳分析结果，提出对驱动桥的改进方案，并对改进后的模型进行相应的有限元分析，以验证改进的合理性与有效性。改进后的驱动桥经用户初步使用，至今未出现强度或刚度问题，也没有发生疲劳破坏。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2相关技术的国内外研究现状

1.2.1结构分析的国内外研究现状

1.2.2驱动桥结构分析的国内外研究现状

1.2.3疲劳寿命预测研究的国内外研究现状

1.2.4驱动桥疲劳寿命预测国内外研究现状

1.3课题的研究背景、目的和意义

1.3.1课题的研究背景

1.3.2课题的研究目的

1.3.3课题的研究意义

1.4课题研究内容及研究方法

1.4.1课题研究内容

1.4.2课题研究方法

2微型车驱动桥分析的有限元模型建立

2.1有限元法及有限元分析软件简介

2.1.1有限元法简介

2.1.2 ANSYS简介

2.1.3 HyperMesh简介

2.2微型车驱动桥结构简介

2.2.1微型车驱动桥结构特点分析

2.2.2微型车驱动桥模型的坐标系

2.2.3微型车驱动桥的材料属性

2.3微型车驱动桥几何模型的建立与简化

2.3.1驱动桥几何模型建立过程

2.3.2模型的简化

2.4单元类型的选择

2.4.1 shell63单元简介

2.4.2 solid45单元简介

2.4.3 MPC184单元简介

2.4.4实体单元和壳单元的连接

2.5网格划分的原则

2.6有限元模型的建立

2.6.1桥壳有限元模型的建立

2.6.2半轴有限元模型的建立

2.6.3驱动桥总成有限元模型的建立

2.6.4齿轮有限元模型的建立

2.7本章小结

3微型车驱动桥结构分析过程

3.1驱动桥总成的静力分析

3.1.1最大垂向力工况

3.1.2最大驱动力工况

3.1.3最大制动力工况

3.1.4最大侧向力工况

3.2弯扭状态下的半轴应力分析

3.3齿轮啮合有限元分析

3.4桥壳垂直弯曲刚性和静强度试验的有限元模拟

3.5本章小结

4微型车驱动桥疲劳寿命预测研究

4.1疲劳分析的理论基础

4.1.1疲劳的定义

4.1.2材料的S-N曲线

4.1.3 Miner线性累积损伤模型

4.1.4雨流计数法

4.2 MSC.Fatigue简介

4.3微型车驱动桥疲劳寿命预测方法的选取

4.3.1总寿命分析法

4.3.2裂纹初始分析法

4.3.3裂纹扩展分析法

4.3.4疲劳分析方法的选取

4.4 S-N曲线的选取

4.4.1桥壳的S-N曲线

4.4.2焊缝的S-N曲线

4.4.3半轴的S-N曲线

4.5驱动桥组件的疲劳寿命预测

4.5.1驱动桥桥壳垂直弯曲疲劳试验的有限元模拟

4.5.2半轴的疲劳寿命预测

4.6驱动桥总成疲劳寿命预测研究

4.6.1正弦激励下的疲劳寿命预测研究

4.6.2路谱激励下的总成疲劳寿命预测

4.7本章小结

5微型车驱动桥理论分析的试验验证

5.1桥壳垂直弯曲刚性和垂直弯曲静强度试验

5.1.1试验目的

5.1.2试验样品及试验装置

5.1.3试验载荷

5.1.4试验方法

5.1.5驱动桥桥壳垂直弯曲刚性试验结果

5.1.6驱动桥桥壳垂直弯曲静强度试验结果

5.2驱动桥桥壳垂直弯曲疲劳试验

5.2.1试验目的

5.2.2试验样品及试验装置

5.2.3试验载荷

5.2.4试验方法及数据处理

5.2.5试验结果

5.3本章小结

6微型车驱动桥的改进设计

6.1改进方案

6.1.1改进思路一

6.1.2改进思路二

6.1.3改进方案

6.2改进后的有限元分析

6.2.1最大垂向力工况下的静力分析

6.2.2疲劳寿命预测分析

6.2.3改进前后分析结果的对比

6.3本章小结

7论文总结与工作展望

7.1论文总结

7.2工作展望

致谢

参考文献