关 锋

(山西机电职业技术学院,山西长治 046011)

汽车主减速器壳体的建模技术和应力分析*

关 锋

(山西机电职业技术学院,山西长治 046011)

利用Pro/E软件建立汽车主减速器壳体的三维模型,然后将其导入ANSYS中,建立有限元力学模型。通过ANSYS分析计算,得到主减速器壳体应力大小和分布图形,分析结果为结构优化提供了理论依据。

主减速器壳体;应力;有限元

0 引 言

主减速器壳体作为汽车底盘非常重要的零件之一,它对差速器组件以及主、从动螺旋伞齿轮组件起着固定位置和支承的双重作用。在汽车行驶的过程中,主减速器壳主要承受轴承传递的径向力和轴向力,容易磨损,是一个受力情况比较复杂的部件[1],它的结构也非常复杂。因此,它必须具有足够的强度和刚度。通过ANSYS软件分析计算,得到主减速器壳体应力大小和分布图形,分析结果为主减速器壳体的结构优化提供了可靠的数据。

1 主减速器壳体模型的分析

只要合理地设置Pro/E和ANSYS间的接口,就可以在它们之间进行很好的数据传输和处理,通过这种方法将Pro/E建立的三维模型导入到ANSYS软件中,方便分析。

1.1 ANSYS软件简介

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制开发的大型通用的有限元分析(FEA)软件,同时它也是世界范围内速度增长最快的CAE软件,能够进行结构、热、声、流体以及电磁场等众多学科领域的研究,在机械制造、能源、电子等方面有着相当广泛的应用。ANSYS软件由于它功能强大,操作简单方便,所以现在它已经成为工程师们开发设计的首选分析软件[2]。在机械结构分析中,ANSYS软件主要对机械结构受到载荷作用下的位移、应力等方面进行研究,根据研究结果来判断是否达到设计的标准和要求。

ANSYS软件具有以下特点:

(1)分析功能广泛性:可广泛用于对结构、热、流体以及电磁学和声学等诸多种物理现象及多场耦合的线性、非线性问题等领域的研究。

(2)处理技术的一体化:主要包括如何建立几何模型、如何划分自动网格、求解、后处理、结构设计的优化等多方面的功能和使用工具。

(3)产品系列的丰富性和开放体系的完善性:不同的配套产品可以应用于各种各样的工业领域。

ANSYS分析过程主要包括3个基本的步骤:

(1)如何创建有限元模型,如何进行网格的准确划分。

(2)具体如何施加载荷并求解。

(3)查看结果,如何对结果进行正确的分析。

1.2 有限元模型的建立

主减速器壳体模型的建立是要建立壳体这样的实体模型。从大的方面来讲,模型的建立一定要能够体现该物理系统的各种特征,比如节点、单元、材料属性、实常数、边界条件等方面;从小的方面来分析,所谓的模型就是用节点和单元包围起来所围成的的空间体域。在ANSYS环境下的模型的概念主要指后者,也就是指空间体域。在ANSYS中创建模型的过程中,可以使用三种不同的建模方法,①在ANSYS环境下建立实体模型;②用直接生成的方法建立实体模型;③靠计算机辅助设计软件建立模型,然后将其导入到ANSYS软件中进行有限元分析。对于形体结构不太复杂的模型来分析,前两种方法均可适用,没有本质的区别。但是,对于形体结构非常复杂的模型来说,最好选择第三种建立模型的方法。笔者选择第三种方法建立模型并进行有限元分析。

在有限元分析的时候能够保证建立模型准确性的前提下,应该要尽量将模型作进一步的简化。在主减速器壳的设计过程中,从整体上观察壳体的形状,是不规则的,但是可以把它看成一个圆柱,然后进行切除、草绘、打孔、拉伸等特征,就可以顺利的建立三维模型。由于ANSYS建模的复杂性,因此将在Pro/ E下建立主减速器壳体的模型,然后导入到ANSYS软件下进行结构的分析,模型如图1所示。

图1 主减速器壳体模型图

1.3 网格划分

ANSYS软件包括自由和映射两种网格划分类型。自由网格对单元形状无限制,生成的单元无特定规则,网格没有固定的模式,对于所有模型的网格划分都适用。自由网格是面和体网络划分时候的缺省设置,生成的自由网络较容易。自由网格的选择或者只用四边形单元或者只用三角形单元组成。体单元仅仅包含四面体网格,致使单元数量较多。自由网格易于生成,不须将复杂形状的体分解为规则形状的体。

对于映射网络的划分不如自由网格容易,面和体必须满足特定的条件,面必须包含3或者4条线,而体必须包含4,5或者6个面,对边的单元分割必须匹配。对于三角形或者四面体,单元分割数必须是偶数。映射网络的划分可分成三个步骤:保证规则的形状,即面有3或者4条边,或者体有4,5或者6个面;指定尺寸和形状控制;生成网络。但是,在许多情况下,模型的几何形状上有多于4条边的面,有多于6个面的体。为了将它们转换成规则的形状,要进行如下的操作:把面或者体切割成小的、简单的形状,连接两条或者多条线或者面以减少总的边数。切割可以通过布尔减运算实现,可以使用工作平面,一个面,或者一条线作为切割工具,有的时候,生成一条新的线或者面会比移动或定向工作平面到正确的方向容易得多。连接操作是生成一条新线为网格划分,它通过连接两条或者多条线以减少构成面的线数[3]。

基于主减速器壳复杂的结构,用三维实体单元模型来描述其结构,更能准确反映壳体的真实情况。在ANSYS软件中,三维实体单元有六面体和四面体两种。因为六面体单元在划分的时候,要求结构规则,对其进行六面体网格的自动划分相当困难,相反,用四面体单元分析三维结构模型,划分单元相对而言较灵活,几乎接近复杂的真实形状,因此,对采用四面体单元对主减速器壳体进行网格划分[4],如图2。笔者选用的材料是球墨铸铁,屈服强度为320 MPa。

图2 壳体模型网格图

1.4 约束及载荷的加载

有限元模型的约束与实际情况紧密相连,有一定的关系,但是又不同于实际情况,经过分析,确定了对主减速器壳体的加载和约束条件。根据实际情况,固定主减速器的下表面,对其进行约束。

1.5 主减速器壳静力分析结果

通过ANSYS软件的分析,得到了汽车主减速器壳体的静力学应力云图,如图3所示。最大应力小于它的屈服强度,因此符合要求。

图3 壳体的应力云图

2 结 论

通过使用ANSYS软件对主减速器壳体的实体模型进行有限元分析,得到了应力大小和分布情况,承受的最大应力小于屈服强度,满足设计强度要求。同时这些数据的获得也为主减速器壳体的设计奠定了一定的基础,减少了试验次数,具有重要的指导意义。

[1] 姚海明,王会刚,刘 伟,等.基于ANSYS主减速器壳应力及模态分析[J].机械设计与制造,2010(3):135-136.

[2] 雒晓兵,许可芳,王均刚.基于ANSYS分析的减速器输出轴设计[J].机械研究与应用,2013(6):34-36.

[3] 徐建全,张春贵,陈铭年.汽车驱动桥壳三维实体建模和有限元分析[J].机电技术,2010(5):1-13.

[4] 何 明,曾庆良,张 鑫,等.基于Pro/E与ANSYS的液压支架运动仿真与有限元分析[J].煤矿机械,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

关 锋(1980-),男,山西长治人,助教,硕士,主要从事机械设计方面的工作。