拖拉机驱动桥的有限元分析及拓扑优化设计

论文摘要

作为拖拉机的主要承载件和传力件,驱动桥支撑着拖拉机的荷重,并将载荷传给车轮。作用在拖拉机上的牵引力、制动力和侧向力,也是经过驱动桥传到悬挂及车架或者车厢上。驱动桥的使用寿命直接影响拖拉机的有效使用寿命,因此,驱动桥应具有足够的强度、刚度和良好的动态特性。驱动桥常规设计方法更多的是凭设计者经验和借鉴现有的设计来进行综合考虑,结果趋于保守,难以实行最优化设计。不能准确的反映用于桥壳各处的应力和变形,所以有很多局限性。使用有限元法对驱动桥壳进行强度分析可以极大的避免了这些局限。只要不断实践并总结经验,将会不断提高计算精度和工作效率,使这种方法成为产品设计的有力手段。如果在设计时就综合考虑驱动桥壳结构优化,对提高整车的各种性能,降低设计与制造成本,增强市场竞争力等都具有十分重要的意义。转向驱动桥最重要的部件是桥壳,桥壳的结构力学特性对整个转向驱动桥的性能起着至关重要的作用。本文建立了驱动桥有限元模型,在此基础上对转向驱动桥壳的静、动态性能进行了分析与研究,并对转向驱动桥其它关键零件半轴、转向节进行了基本力学分析。通过强度试验结果与理论分析数据相比发现两者之间误差较小,验证了有限元模型建立的合理性。桥壳内的最大主应力小于许用应力值,该桥壳满足强度要求;桥壳的每米轮距最大变形量小于国标规定的1.5mm/m,满足刚度要求;桥壳的最低阶固有频率远大于路面激励频率,路面行驶不会引起桥壳共振。同时对转向节、半轴的分析结果也表明它们符合设计要求,说明在各工况下该转向驱动桥是安全可靠的。在有限元分析的基础上建立了该转向驱动桥桥壳拓扑优化模型,提出了两种优化方案,根据优化结果提出了改进方案,对改进结构进行相同工况分析发现改进后结构不仅满足设计要求,质量也下降不少,而且有效的实现了桥壳的轻量化,说明运用有限元法进行分析优化来改进桥壳结构这种方法是很有实用价值的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究的意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 HyperWorks 简介
• 2.1 HyperMesh 模块
• 2.2 Altair Optistruct 模块
• 2.3 HyperView 模块
• 2.4 HyperGraph 模块
• 2.5 本章小结
• 第三章 有限元及拓扑优化基础理论
• 3.1 有限元理论
• 3.1.1 有限元法简述
• 3.1.2 有限元方法的应用
• 3.2 模态分析理论
• 3.3 拓扑优化的概念与发展
• 3.4 变密度法拓扑优化数学模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 转向驱动桥壳及半轴的基本力学分析
• 4.1 驱动桥壳有限元模型的建立
• 4.1.1 桥壳几何清理
• 4.1.2 材料的赋予
• 4.1.3 网格的划分
• 4.1.4 各零件间连接的模拟
• 4.1.5 载荷工况的处理
• 4.2 桥壳有限元模型的求解及后处理
• 4.2.1 工况1 桥壳无转角3 倍满载
• 4.2.2 工况2 桥壳转角11 度3 倍满载
• 4.3 半轴的静力学分析
• 4.3.1 半轴的几何清理
• 4.3.2 网格的划分及材料属性的赋予
• 4.3.3 载荷与约束的施加
• 4.3.4 半轴的静力分析
• 4.4 强度刚度试验
• 4.4.1 桥壳试验的准备
• 4.4.2 试验过程
• 4.4.3 试验数据的处理
• 4.5 本章小结
• 第五章 某转向驱动桥壳的模态分析
• 5.1 模态分析
• 5.2 本章小结
• 第六章 某转向驱动桥壳的拓扑优化及结构改进
• 6.1 拓扑优化设计流程
• 6.2 驱动桥拓扑优有限元模型的建立
• 6.3 拓扑优化设计——优化方案一
• 6.3.1 驱动桥壳拓扑优化区域的定义
• 6.3.2 定义拓扑优化响应
• 6.3.3 定义驱动桥壳的优化目标函数和约束条件
• 6.3.4 优化结果分析
• 6.4 拓扑优化设计—方案二
• 6.4.1 方案二的约束条件
• 6.4.2 方案二的目标函数
• 6.4.3 优化结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 对改进后的结构进行分析验证
• 7.1 根据优化结果对驱动桥壳结构进行改进
• 7.2 对改进后的桥壳进行仿真分析
• 7.3 改进前后驱动桥壳动态性能比较
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 总结
• 8.2 下一步研究工作的设想
• 参考文献
• 攻读硕士期间已发表的学术论文