汽車主減速器殼體的建模技術(shù)和應(yīng)力分析*

關(guān) 鋒

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西長(zhǎng)治 046011)

汽車主減速器殼體的建模技術(shù)和應(yīng)力分析*

關(guān) 鋒

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西長(zhǎng)治 046011)

利用Pro/E軟件建立汽車主減速器殼體的三維模型,然后將其導(dǎo)入ANSYS中,建立有限元力學(xué)模型。通過ANSYS分析計(jì)算,得到主減速器殼體應(yīng)力大小和分布圖形,分析結(jié)果為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

主減速器殼體;應(yīng)力;有限元

0 引 言

主減速器殼體作為汽車底盤非常重要的零件之一,它對(duì)差速器組件以及主、從動(dòng)螺旋傘齒輪組件起著固定位置和支承的雙重作用。在汽車行駛的過程中,主減速器殼主要承受軸承傳遞的徑向力和軸向力,容易磨損,是一個(gè)受力情況比較復(fù)雜的部件[1],它的結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜。因此,它必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。通過ANSYS軟件分析計(jì)算,得到主減速器殼體應(yīng)力大小和分布圖形,分析結(jié)果為主減速器殼體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)。

1 主減速器殼體模型的分析

只要合理地設(shè)置Pro/E和ANSYS間的接口,就可以在它們之間進(jìn)行很好的數(shù)據(jù)傳輸和處理,通過這種方法將Pro/E建立的三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中,方便分析。

1.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制開發(fā)的大型通用的有限元分析(FEA)軟件,同時(shí)它也是世界范圍內(nèi)速度增長(zhǎng)最快的CAE軟件,能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場(chǎng)等眾多學(xué)科領(lǐng)域的研究,在機(jī)械制造、能源、電子等方面有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。ANSYS軟件由于它功能強(qiáng)大,操作簡(jiǎn)單方便,所以現(xiàn)在它已經(jīng)成為工程師們開發(fā)設(shè)計(jì)的首選分析軟件[2]。在機(jī)械結(jié)構(gòu)分析中,ANSYS軟件主要對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)受到載荷作用下的位移、應(yīng)力等方面進(jìn)行研究,根據(jù)研究結(jié)果來判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

ANSYS軟件具有以下特點(diǎn):

(1)分析功能廣泛性:可廣泛用于對(duì)結(jié)構(gòu)、熱、流體以及電磁學(xué)和聲學(xué)等諸多種物理現(xiàn)象及多場(chǎng)耦合的線性、非線性問題等領(lǐng)域的研究。

(2)處理技術(shù)的一體化:主要包括如何建立幾何模型、如何劃分自動(dòng)網(wǎng)格、求解、后處理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化等多方面的功能和使用工具。

(3)產(chǎn)品系列的豐富性和開放體系的完善性:不同的配套產(chǎn)品可以應(yīng)用于各種各樣的工業(yè)領(lǐng)域。

ANSYS分析過程主要包括3個(gè)基本的步驟:

(1)如何創(chuàng)建有限元模型,如何進(jìn)行網(wǎng)格的準(zhǔn)確劃分。

(2)具體如何施加載荷并求解。

(3)查看結(jié)果,如何對(duì)結(jié)果進(jìn)行正確的分析。

1.2 有限元模型的建立

主減速器殼體模型的建立是要建立殼體這樣的實(shí)體模型。從大的方面來講,模型的建立一定要能夠體現(xiàn)該物理系統(tǒng)的各種特征,比如節(jié)點(diǎn)、單元、材料屬性、實(shí)常數(shù)、邊界條件等方面;從小的方面來分析,所謂的模型就是用節(jié)點(diǎn)和單元包圍起來所圍成的的空間體域。在ANSYS環(huán)境下的模型的概念主要指后者,也就是指空間體域。在ANSYS中創(chuàng)建模型的過程中,可以使用三種不同的建模方法,①在ANSYS環(huán)境下建立實(shí)體模型;②用直接生成的方法建立實(shí)體模型;③靠計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件建立模型,然后將其導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析。對(duì)于形體結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的模型來分析,前兩種方法均可適用,沒有本質(zhì)的區(qū)別。但是,對(duì)于形體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的模型來說,最好選擇第三種建立模型的方法。筆者選擇第三種方法建立模型并進(jìn)行有限元分析。

在有限元分析的時(shí)候能夠保證建立模型準(zhǔn)確性的前提下,應(yīng)該要盡量將模型作進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。在主減速器殼的設(shè)計(jì)過程中,從整體上觀察殼體的形狀,是不規(guī)則的,但是可以把它看成一個(gè)圓柱,然后進(jìn)行切除、草繪、打孔、拉伸等特征,就可以順利的建立三維模型。由于ANSYS建模的復(fù)雜性,因此將在Pro/ E下建立主減速器殼體的模型,然后導(dǎo)入到ANSYS軟件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析,模型如圖1所示。

圖1 主減速器殼體模型圖

1.3 網(wǎng)格劃分

ANSYS軟件包括自由和映射兩種網(wǎng)格劃分類型。自由網(wǎng)格對(duì)單元形狀無限制,生成的單元無特定規(guī)則,網(wǎng)格沒有固定的模式,對(duì)于所有模型的網(wǎng)格劃分都適用。自由網(wǎng)格是面和體網(wǎng)絡(luò)劃分時(shí)候的缺省設(shè)置,生成的自由網(wǎng)絡(luò)較容易。自由網(wǎng)格的選擇或者只用四邊形單元或者只用三角形單元組成。體單元僅僅包含四面體網(wǎng)格,致使單元數(shù)量較多。自由網(wǎng)格易于生成,不須將復(fù)雜形狀的體分解為規(guī)則形狀的體。

對(duì)于映射網(wǎng)絡(luò)的劃分不如自由網(wǎng)格容易,面和體必須滿足特定的條件,面必須包含3或者4條線,而體必須包含4,5或者6個(gè)面,對(duì)邊的單元分割必須匹配。對(duì)于三角形或者四面體,單元分割數(shù)必須是偶數(shù)。映射網(wǎng)絡(luò)的劃分可分成三個(gè)步驟:保證規(guī)則的形狀,即面有3或者4條邊,或者體有4,5或者6個(gè)面;指定尺寸和形狀控制;生成網(wǎng)絡(luò)。但是,在許多情況下,模型的幾何形狀上有多于4條邊的面,有多于6個(gè)面的體。為了將它們轉(zhuǎn)換成規(guī)則的形狀,要進(jìn)行如下的操作:把面或者體切割成小的、簡(jiǎn)單的形狀,連接兩條或者多條線或者面以減少總的邊數(shù)。切割可以通過布爾減運(yùn)算實(shí)現(xiàn),可以使用工作平面,一個(gè)面,或者一條線作為切割工具,有的時(shí)候,生成一條新的線或者面會(huì)比移動(dòng)或定向工作平面到正確的方向容易得多。連接操作是生成一條新線為網(wǎng)格劃分,它通過連接兩條或者多條線以減少構(gòu)成面的線數(shù)[3]。

基于主減速器殼復(fù)雜的結(jié)構(gòu),用三維實(shí)體單元模型來描述其結(jié)構(gòu),更能準(zhǔn)確反映殼體的真實(shí)情況。在ANSYS軟件中,三維實(shí)體單元有六面體和四面體兩種。因?yàn)榱骟w單元在劃分的時(shí)候,要求結(jié)構(gòu)規(guī)則,對(duì)其進(jìn)行六面體網(wǎng)格的自動(dòng)劃分相當(dāng)困難,相反,用四面體單元分析三維結(jié)構(gòu)模型,劃分單元相對(duì)而言較靈活,幾乎接近復(fù)雜的真實(shí)形狀,因此,對(duì)采用四面體單元對(duì)主減速器殼體進(jìn)行網(wǎng)格劃分[4],如圖2。筆者選用的材料是球墨鑄鐵,屈服強(qiáng)度為320 MPa。

圖2 殼體模型網(wǎng)格圖

1.4 約束及載荷的加載

有限元模型的約束與實(shí)際情況緊密相連,有一定的關(guān)系,但是又不同于實(shí)際情況,經(jīng)過分析,確定了對(duì)主減速器殼體的加載和約束條件。根據(jù)實(shí)際情況,固定主減速器的下表面,對(duì)其進(jìn)行約束。

1.5 主減速器殼靜力分析結(jié)果

通過ANSYS軟件的分析,得到了汽車主減速器殼體的靜力學(xué)應(yīng)力云圖,如圖3所示。最大應(yīng)力小于它的屈服強(qiáng)度,因此符合要求。

圖3 殼體的應(yīng)力云圖

2 結(jié) 論

通過使用ANSYS軟件對(duì)主減速器殼體的實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析,得到了應(yīng)力大小和分布情況,承受的最大應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度,滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。同時(shí)這些數(shù)據(jù)的獲得也為主減速器殼體的設(shè)計(jì)奠定了一定的基礎(chǔ),減少了試驗(yàn)次數(shù),具有重要的指導(dǎo)意義。

[1] 姚海明,王會(huì)剛,劉 偉,等.基于ANSYS主減速器殼應(yīng)力及模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010(3):135-136.

[2] 雒曉兵,許可芳,王均剛.基于ANSYS分析的減速器輸出軸設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2013(6):34-36.

[3] 徐建全,張春貴,陳銘年.汽車驅(qū)動(dòng)橋殼三維實(shí)體建模和有限元分析[J].機(jī)電技術(shù),2010(5):1-13.

[4] 何 明,曾慶良,張 鑫,等.基于Pro/E與ANSYS的液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真與有限元分析[J].煤礦機(jī)械,2009(2):73-77.

Modeling Technique and Stress Analysis of the Main Gear Box Shell

GUAN Feng
(Shanxi Institute of Mechanical and Electrical Engineering,Changzhi Shanxi 046011,China)

The 3D solid model of the main gear box shell is built by using the Pro/E software,and the finite element analyzing is then established after importing the model into ANSYS.Through the ANSYS,the stress intensity and distribution graph of the main gear box shell are acquired.The analysis results may provide a theoretical basis for its structural optimization design.

main gear box shell;stress;finite element

U463.1

A

1007-4414(2015)05-0069-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.022

2015-08-07

關(guān) 鋒(1980-),男,山西長(zhǎng)治人,助教,碩士,主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)方面的工作。