基于ANSYS的橋殼結(jié)構(gòu)分析

驅(qū)動(dòng)橋是車輛的核心部件，其主要功能是承載和傳遞驅(qū)動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)橋橋殼是車輛主要的承載件和傳力件，是主減速器、差速器和半軸等的裝配基體[1]。在車輛行駛過程中，橋殼承受道路和車架之間各方向的力[2，3]，沖擊載荷較大，嚴(yán)重影響橋殼的使用壽命，一旦橋殼發(fā)生斷裂，便會(huì)嚴(yán)重危及生命安全。隨著分析手段多樣化，部分研究人員將有限元方法和傳統(tǒng)力學(xué)相結(jié)合，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化驅(qū)動(dòng)橋殼提供了理論依據(jù)[4]。KUMAR等通過有限元分析的方法對(duì)汽車前橋進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，取得了顯著的研究成果。

輪式裝甲車傳動(dòng)系統(tǒng)由前橋、中橋、后橋組成，起著連接傳動(dòng)軸和傳遞動(dòng)力的作用。中橋帶有分動(dòng)器，前橋、中橋、后橋直接與懸掛上下臂通過銷軸連接，不僅承受來自內(nèi)部齒輪的齒輪嚙合力，還承受懸掛上下臂的力，因此車橋應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度去保證面對(duì)不同路面狀況傳遞的反作用力和力矩。

本文基于ANSYS對(duì)前橋、中橋、后三橋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，以保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

有限元模型建立

1.坐標(biāo)系及計(jì)算單位

分析模型是以前橋中心線與車體縱向中心線的交點(diǎn)，沿豎直向下方向在底甲板外表面的投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿車體縱向中心線指向后方向?yàn)閄軸正方向，沿車體向右方向?yàn)閅軸正方向，垂直底甲板向上方向?yàn)閆軸正方向。

2.網(wǎng)格劃分

為保證分析模型與實(shí)體模型的一致性，對(duì)前橋、中橋、后橋橋殼及車體甲板進(jìn)行實(shí)體建模。在網(wǎng)格劃分中，對(duì)模型進(jìn)行適應(yīng)性簡(jiǎn)化處理，以符合結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)特性為前提。

在保證分析精度的前提下，對(duì)分析模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化假設(shè)：結(jié)構(gòu)中較小的尺寸結(jié)構(gòu)，如小孔、開口、倒角和小凸臺(tái)等進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。選用ANSYSWorkbench19.0軟件建立有限元模型，根據(jù)計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度和計(jì)算精度綜合考慮，橋殼、主減殼體采用 5 m m 單元尺寸，上、下安裝板采用 3 m m 單元尺寸，車體甲板采用 2 0 m m 單元尺寸，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，其中前橋節(jié)點(diǎn)5615578個(gè)，單元數(shù)3773808個(gè)；中橋節(jié)點(diǎn)7059307個(gè)，單元數(shù)4713076個(gè)；后橋節(jié)點(diǎn)6034653個(gè)，單元數(shù)4059548個(gè)，網(wǎng)格模型如圖1所示。

過主錐軸承傳遞到軸承座，分別分解到 Y、Z三個(gè)方向，前橋軸承座載荷值見表2，載荷位置如圖2所示。中橋軸承座載荷值見表3，載荷位置如圖3所示。后橋軸承座載荷值見表4，載荷位置如圖4所示。

3.設(shè)置材料屬性

滿足使用要求的前提下盡量采用輕量化設(shè)計(jì)。根據(jù)材料特性，本文主減殼體采用球墨鑄鐵QT450-10，橋殼采用球墨鑄鐵QT500-7，橋殼安裝板采用35鋼。各零件的材料屬性見表1。

4.施加載荷和邊界條件

按照發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩及變速器速比，設(shè)定主減速器總成輸入轉(zhuǎn)矩 8 3 0 0 N ? m ，結(jié)合主減速器總成主、從動(dòng)錐齒輪副參數(shù)，計(jì)算齒輪副在傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)產(chǎn)生的軸向與徑向力。齒輪傳動(dòng)過程中產(chǎn)生的軸向、徑向力通備總質(zhì)量24t，單橋承重8t，考慮車輛運(yùn)行實(shí)際情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照3.5倍載荷計(jì)算。前橋上、下支座懸掛載荷值見表5。固定約束施加在殼體與車體連接表面上，前橋施加約束如圖5所示。

中橋上、下支座懸掛載荷值見表6，中橋施加約束

如圖6所示。

后橋上、下支座懸掛載荷值見表7，后橋施加約束如圖7所示。

計(jì)算結(jié)果

1.前橋

（1）正轉(zhuǎn)工況前橋正轉(zhuǎn)工況下，橋殼殼體應(yīng)力分布云圖如圖8所示。橋殼殼體最大應(yīng)力出現(xiàn)在右前方靠近車首上臂安裝座附近的與安裝板接觸的面邊緣，最大應(yīng)力值為 ，未超過材料屈服極限（QT500-7屈服極限為320MPa）。

前橋正轉(zhuǎn)工況下，橋殼殼體變形分布云圖如圖9所示。最大變形出現(xiàn)在左側(cè)下臂車首方向安裝支座的安裝面上，最大變形量為 0 . 6 6 m m。

（2）反轉(zhuǎn)工況前橋反轉(zhuǎn)工況下，橋殼殼體應(yīng)力分布云圖，如圖10所示。橋殼殼體最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸承座安裝銷軸附近，最大應(yīng)力值為 1 7 1 . 3 2 M P a ，未超過材料屈服極限。

前橋反轉(zhuǎn)工況下，橋殼殼體變形分布云圖，如圖11所示。最大變形出現(xiàn)在左側(cè)下臂車首方向安裝支座的安裝面上，最大變形量為 ? 0 . 6 2 m m 。

2.中橋

（1）正轉(zhuǎn)工況中橋正轉(zhuǎn)工況下，橋殼殼體應(yīng)力分布云圖如圖12所示。橋殼殼體最大應(yīng)力出現(xiàn)在左前方靠近車首上臂安裝座附近的與安裝板接觸的面邊緣，最大應(yīng)力值為 2 2 1 . 6 8 M P a ，未超過材料屈服極限。

中橋正轉(zhuǎn)工況下，橋殼殼體變形分布云如圖13所示。最大變形出現(xiàn)在左側(cè)下臂車首方向安裝支座的安裝面上，最大變形量為 0 . 8 0 m m 。

中橋反轉(zhuǎn)工況下，橋殼殼體應(yīng)力分布云圖如圖14所示。橋殼殼體最大應(yīng)力出現(xiàn)在左前方靠近車首上臂安裝座附近的與安裝板接觸的面邊緣，最大應(yīng)力值為 ，未超過材料屈服極限。

（2）反轉(zhuǎn)工況中橋反轉(zhuǎn)工況下，橋殼殼體變形分布云圖如圖15所示。最大變形出現(xiàn)在右側(cè)下臂車首方向安裝支座的安裝面上，最大變形量為 1 0 . 6 5 m m 0

3.后橋

（1）正轉(zhuǎn)工況后橋正轉(zhuǎn)工況下，橋殼殼體應(yīng)力分布云圖如圖16所示。

橋殼殼體最大應(yīng)力出現(xiàn)在右前方靠近車首上臂安裝座附近的與安裝板接觸的面邊緣，最大應(yīng)力值為2 2 6 . 9 6 M P a ，未超過材料屈服極限。

后橋正轉(zhuǎn)工況下，橋殼殼體變形分布云圖如圖17所示。最大變形出現(xiàn)在右側(cè)下臂車首方向安裝支座的安裝面上，最大變形量為 0 . 9 0 m m 0

（2）反轉(zhuǎn)工況后橋反轉(zhuǎn)工況下，橋殼殼體應(yīng)力分布云圖如圖18所示。橋殼殼體最大應(yīng)力出現(xiàn)在左前方靠近車首上臂安裝座附近的與安裝板接觸的面邊緣，最大應(yīng)力值為 1 8 2 . 6 0 M P a ，未超過材料屈服極限。

后橋反轉(zhuǎn)工況下，橋殼殼體最大變形出現(xiàn)在右側(cè)下臂車首方向安裝支座的安裝面上，最大變形量為0 . 7 5 m m 。

結(jié)語

為滿足某輪式裝甲車橋殼性能要求，通過多輪仿真技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終完成橋殼設(shè)計(jì)，經(jīng)有限元分析驗(yàn)證達(dá)到性能要求。以前橋?yàn)槔群蠼?jīng)過七輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大應(yīng)力從 降到226.96MPa；單橋質(zhì)量從352.4kg降到 2 6 8 . 8 k g 。對(duì)前、中、后橋橋殼在正、反轉(zhuǎn)工況下的計(jì)算結(jié)果見表8。

由分析結(jié)果可得出結(jié)論：兩種工況下，前、中、后橋橋殼最大應(yīng)力值為 2 2 6 . 9 6 M P a ，位于右前方靠近車首上臂安裝座附近的與安裝板接觸的面邊緣，不超過QT500-7材料屈服強(qiáng)度。目前該橋已批量裝車，前、中、后橋均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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