电动车 - 轻型后桥桥壳轻量化有限元分析.pdf

牛湛滔

1有限元简介

有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）是利用数学近似的

方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。

利用简单的、相互关联、相互作用的元素（即单元），也就是可以

用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

有限元分析是将复杂的问题用较简单的问题代替，用简单的问题对

复杂问题进行求解。

它将需要求解的结构分解成由许多被称为有限元的、互相关联的小

区域，对每个单元假设认定一个近似于实际的解，然后用近似解求

导出满足整个结构领域的解。

由于该解是通过用简单问题代替复杂问题所求出，因此，它不是准

确解，是一个接近实际的近似解。

由于很多结构计算无法得到准确解，因此，有限元这种理论上可以

无限趋近于实际解的分析方法，被广泛应用于各种复杂形状，成为

目前被认可的工程分析方法。

有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。

有限元分析方法已经在几百年前就已经被发现并慢慢地应用在实际

设计工作当中。

大家所熟知的最简单的例子，圆形的周长就是用有限个直线段近似

地认为趋近于实际圆的形状所求得。

直到近几十年，有限元才作为一种系统的、有效的设计方法被广泛

应用。

有限元分析方法最早是被应用于航空航天领域，由于其可以不借助

于复杂工具对结构零件进行近似于实际工况的受力模拟分析，因此

逐渐被一些物理科学家所采纳。

经过这几十年的快速发展，在计算机硬件水平不断提高的基础上，

有限元分析从最初的单一工程领域已经逐渐覆盖到了机械、建筑、

水利、交通运输、电子电器等所有的科学技术研究方面，成为了目

前世界主流的结构设计方法。

世界力学名著“有限元法”(TheFiniteElementMethod)的

作者O.C.Zienltiewicz教授对求解连续问题的近似方法一有限元法

曾作过如下定义：

(1)把连续体分成有限个部分，其形态由有限个参数所规定；

(2)求解离散成有限元的集合体时，其有限单元应满足连续体所遵

循的规则，如力平衡等。

本文中所研究的计算对象在选取时，尽量地将模型与实际工艺相符，

同时，为了提高计算的可行性，采取了某研究机构提出的最小总成

的概念。

如果被研究结构对象中所包含的装配零件过多，则该三维模型占用

内存空间大，相互接触及受力关系复杂，会导致最终的求解困难。

如果选择的零件过少，则每个零件之间的约束又施加不准确，不能

反映出零件的真是工作情况，导致模拟边界条件失真。

为了达到最好的效果，本方案中选择了总成中能够独立地实现驱动

桥桥壳功能的零部件装配体。

2材料属性

本方案桥壳采用的材料为QTD800-10，其属性参数见表3.9。

表3.9桥壳材料属性参数表

零件名称材料名称弹性模量（MPa）泊松比σs（MPa）σb（MPa）

铸造桥壳QTD800-101.7E50.27500800

3载荷及工况

驱动桥设计轴荷为6000kg，轮距为1658mm，钢板弹簧距996mm，

轮胎滚动半径415mm。桥壳有限元分析的关键位置见图3.14。

图3.14桥壳有限元分析关键位置

3.1台架试验工况

约束：与台架试验的支撑方式一致，一端简支，一端滑动支撑，结

构在垂直面内不转动。

载荷：在钢板弹簧座处施加压力，载荷大小为6000kg，动载系数

为2.5。

3.2垂直工况

约束：约束钢板弹簧座。

载荷：在车轮与地面接触处施加载荷，单侧载荷大小为73500N。

3.3侧向工况

约束：约束钢板弹簧座。

载荷：在车轮与地面接触处施加载荷，左侧垂直载荷为3239.4N，

左侧轴向载荷为1619.7N，右侧垂直载荷为55560.6N，右侧轴向

载荷为27780.3N。

3.4倒车制动工况

约束：约束钢板弹簧座。

载荷：在车轮中心施加垂直及制动载荷，在制动法兰上施加扭矩。

垂直方向载荷大小为38945.7N，制动载荷大小为27262N，扭矩

大小为11240.1226Nm。

4第一轮有限元分析

4.1桥壳极限工况各关键位置静强度计算

桥壳极限工况下的危险点见图3.15，各关键位置静安全系数见表

3.10。

图3.15桥壳极限工况下的危险点安全系数

表