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原文传递某重型汽车驱动桥壳的有限元分析及优化设计

论文题名：	某重型汽车驱动桥壳的有限元分析及优化设计
关键词：	整体式驱动桥壳;静力学分析;动态特性分析;模态试验;疲劳分析;拓扑优化设计
摘要：	当今，由于汽车工业技术进步与科学技术的飞速发展，汽车的科技发展也越来越快，而与此同时人们对出行方式的可选择性也越来越多，对交通工具的现代化、智能化程度的要求也越来越高。汽车驱动系统的作用是不仅为汽车在正常行驶过程中提供动力，同时还保障了汽车在特定工况下（例如上大坡）动力的充沛和车身的稳定。在驱动系统中，驱动桥壳作为主减速器、差速器等零部件的保护装置，承载汽车和车架质量的同时还承受来自车轮与地面之间的激励与弯矩的作用，为此，在驱动桥壳的设计环节，合理的设计驱动桥壳的结构和形状来提高桥壳的强度和刚度具有很重要的意义。本文运用有限元分析方法对某重型汽车驱动桥壳进行有限元静力学分析、模态分析、随机振动分析、瞬态动力学分析以及疲劳寿命分析，通过分析结果对驱动桥壳进行拓扑优化设计，主要研究内容包括：　　（1）选取驱动系统中的整体式驱动桥壳作为研究对象，根据某重型汽车驱动桥壳结构建立三维模型。通过对驱动桥壳五种典型静力学工况进行有限元分析，根据不同工况下车辆的运行情况，对驱动桥壳施加约束和载荷，并对其强度和刚度进行有限元分析，分析驱动桥壳的强度是否超过材料的屈服强度及刚度的变化范围是否符合国家标准。　　（2）在无约束和无载荷下，对驱动桥壳展开自由模态分析，分析驱动桥壳在无约束无载荷下6阶模态；随后，对驱动桥壳展开约束模态分析，分析驱动桥壳在施加载荷和约束时1-6阶模态的固有频率和振型；为验证有限元仿真数据的可靠性和准确性，对驱动桥壳展开自由模态试验验证，对仿真数据与试验数据进行对比分析，分析仿真分析数据与试验数据结果是否在合理范围内。　　（3）在约束模态分析的基础上，结合分析结果对驱动桥壳展开随机振动分析，根据3σ原则，在有限元随机振动分析中设定好各项参数，依次对驱动桥壳进行在1Sigma、2Sigma、3Sigma下的随机振动分析，通过对驱动桥壳模态分析下的随机振动分析，分析在不同提取率范围内的误差，通过计算与仿真对比，分析在随机振动下驱动桥壳的结构设计合理性；基于静力学分析结果，分别从满载时桥壳弯曲、最大垂向力时桥壳弯曲、最大侧向力时桥壳弯曲三个工况对驱动桥壳进行瞬态动力学分析，分别分析在这三个方向下的正应力，找出最容易发生危险的部位以便于在对驱动桥壳进行优化设计时，对应该要加强的部位进行有针对性的设计。　　（4）基于静力学分析结果，在有限元疲劳分析中对驱动桥壳最具有代表性的三个工况进行疲劳寿命分析：满载时桥壳弯曲、最大垂向力时桥壳弯曲、最大侧向力时桥壳弯曲。结合疲劳寿命分析理论以及对疲劳寿命值和安全系数的分析，可以得到驱动桥壳存在一定的优化空间。　　（5）综合以上分析，采用有限元分析中的拓扑优化设计方法对驱动桥壳进行轻量化优化设计。最终选择保留90%的质量比，根据拓扑优化分析结果，在驱动桥壳本体上开四个多边形孔和四个U型槽，在保证结构稳定的前提下达到空间利用率最大化的目标，并最终实现轻量化的目的。最后对驱动桥壳进行优化前后的静力学、模态、疲劳对比分析，表明此次优化方案的合理性。
作者：	孟红博
专业：	机械工程
导师：	郑忠才;王桂荃
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2022