基于ANSYS的輪式拖拉機后橋殼數(shù)值分析

王會剛+高艷紅+張向紅

摘要：基于ANSYS軟件，運用有限單元法對農(nóng)用拖拉機后橋殼進行了靜力分析，校核了車橋的強度和剛度，指出了后橋殼受力的關鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)；對后橋殼進行了模態(tài)分析，得出了前幾階固有頻率和振型?；诜治鼋Y果提出了后橋設計時應注意的問題和改進方向。

關鍵詞：拖拉機；后橋殼；有限元法；靜力分析；模態(tài)分析

中圖分類號： S219.1 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0334-03

驅(qū)動橋殼是輪式拖拉機[1]上的主要承載構件之一，其作用主要是支撐并保護主減速器、差速器和半軸等。主要有整體式橋殼、可分式橋殼和組合式橋殼3類。本研究以整體式橋殼為例，基于ANSYS軟件，對其做了靜力分析和模態(tài)分析，校核了橋殼的強度和剛度，為后橋設計、改進提供了理論依據(jù)，具有一定的理論意義和重要的實用價值。

1 實體模型

考慮到后橋形狀復雜，建模軟件選用Pro/E，采用特征建模，分析時用IGES格式導入ANSYS。后橋由半軸套管、殼體、加強環(huán)、鑲塊等組成，由于鋼板彈簧座對橋殼有較大影響，將鋼板彈簧座也作為實體模型的一部分。實體模型建立后，經(jīng)過編輯、修改后生成有限元模型[2-4]，實體造型如圖1所示。

2 有限元模型

單元的選擇：根據(jù)有限元理論，用三維實體單元描述后橋結構更能反映后橋的實際狀況。由于六面體單元在劃分時要求結構較規(guī)則，而四面體單元比較靈活，因此，采用四面體單元，選用具有較高剛度及計算精度的四面體10節(jié)點92號單元自由劃分網(wǎng)格，在ANSYS環(huán)境運行，對橋殼一次性自動劃分網(wǎng)格。共有24 600個節(jié)點，19 700個單元，網(wǎng)格劃分結果如圖2所示。

材料模型：殼體材料為09SiVL-8，彈性模量為2.06×105 MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，材料的屈服強度為510～610 MPa[5]。

3 靜力分析

靜載荷是指作用在車橋上的所有質(zhì)量引起的載荷，包括：固定在車橋上的總質(zhì)量和乘員、貨物的質(zhì)量，集中或分布作用在車橋相應位置。

橋殼垂直彎曲剛度和強度的計算是先將后橋2端固定，約束橋殼2端6個自由度，在彈簧座處施加規(guī)定的載荷[6]。根據(jù)拖拉機的相關參數(shù)：驅(qū)動橋滿載后軸質(zhì)量約5.5 t，軸距1 400 mm，前輪輪距900 mm，后輪輪距1 000 mm[7]，板簧座上表面面積7 079 mm2，計算得到其面載荷為3.8 MPa。

根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，垂向載荷取橋殼滿載負荷的2.5倍即為9.5 MPa。約束和載荷施加如圖3所示。

加載后得到的等效應力云圖如圖4所示。

通過有限元分析應力云圖，可以看出驅(qū)動橋殼在2.5倍滿載負荷工況下，最大應力為1 370 MPa，出現(xiàn)在半軸套管約束處。若不考慮由約束造成的局部應力集中，應力較大值分布處于鋼板彈簧座2側，值為160 MPa，遠小于材料的許用應力，該橋殼符合強度要求[7]。

為了真實反映出橋殼等效應力的變化，截取橋殼主要部分的等效應力曲線。半軸套管處等效應力曲線如圖5所示，因其具有對稱性，只截取1面；圖6、圖7分別為殼體外圈和殼體內(nèi)圈處等效應力曲線圖。

從圖4可以看出，彈簧座孔產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，高應力響應區(qū)發(fā)生在橋殼彈簧座處，即云圖中的紅色區(qū)域；其余大部分均為低應力響應區(qū)域，即云圖中的藍色區(qū)域，進一步表明橋殼強度的可靠性。

橋殼使用中不僅要滿足強度要求，也要滿足剛度要求，下面對橋殼位移變化進行校核，以確保其安全性。橋殼位移云圖如圖8所示。

由圖8可知，橋殼位移最大值為1.191 mm，出現(xiàn)在橋殼中心處，即差速箱所在位置，從橋殼中心向橋殼2端逐漸減小。根據(jù)相關標準[8]，承受滿載負荷時，橋殼最大變形量要求不超過1.5 mm/m。本研究中橋殼輪距的最大變形量為1.191 mm/m，小于規(guī)定值，滿足剛度要求。

為真實反映橋殼節(jié)點位移的變化。分別截取橋殼y、z、x方向的曲線如圖9至圖11所示。

由圖9至圖11可知，在2端彈簧座壓力作用下，殼體沿y方向變扁，最大位移發(fā)生在橋殼主體左右2端，并具有對稱性和周期性；橋殼在z方向和x方向上最大位移均發(fā)生在橋殼主體左右2端，都具有對稱性和周期性。

4 模態(tài)分析

4.1 分析設置

為了保證計算的準確性，模態(tài)分析的網(wǎng)格劃分較靜力分析的網(wǎng)格尺寸更精密，同樣選用四面體10節(jié)點92號單元自由劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸14，將該零件劃分為48 678個節(jié)點，26 348 個單元。

模態(tài)分析為求解后橋結構的固有特性（固有頻率和固有振型），與所受外力無關，故忽略外部載荷作用，直接對其施加約束條件。

在定義好網(wǎng)格的材料特性和厚度后，設置模態(tài)分析環(huán)境，設定關心的模態(tài)階數(shù)及模態(tài)上、下限，求得固有頻率和振型[9]。

4.2 分析結果

后橋1階振型見圖12，前5階頻率見表1。

考慮到1階自振頻率引起的共振往往產(chǎn)生最大的應變和應力，而高階的影響較小，下面就前5階模態(tài)分析結果進行分析。

（1） 第1階模態(tài)頻率為0.220 24 Hz，振型如圖12所示。在該模態(tài)頻率下，橋殼以半軸為支點呈前后變形，最大位移發(fā)生在差速箱處。

（2）第2階模態(tài)頻率為0.294 96 Hz，在該模態(tài)頻率下，橋殼以半軸為支點呈上下變形，最大位移發(fā)生在差速箱處，近似于1階變形。

（3）第3階模態(tài)頻率為0.488 49 Hz，在該模態(tài)頻率下，車橋主要以扭轉變形為主，發(fā)生在差速箱周圍。

（4）第4階模態(tài)頻率為0.605 75 Hz，在該模態(tài)頻率下，車橋以擠壓變形為主，發(fā)生在差速箱2側。

（5）第5階模態(tài)頻率為0.697 76 Hz，在該模態(tài)頻率下，車橋伴隨著橋殼的扭動以扭曲變形為主。

受干擾時，外界干擾頻率只能同某一頻率接近，而不可能同時與幾階頻率接近，不易發(fā)生振動的疊加，這對后橋的強度很有好處。拖拉機在行駛過程中，后橋是在動載荷環(huán)境下工作的，必須最大限度減小模態(tài)頻率與激勵頻率之間的耦合。

針對車橋具有產(chǎn)生共振的可能性，因此：車橋的低階模態(tài)頻率，即1階彎曲頻率和扭轉頻率，應該高于懸掛下結構的固有頻率，避開發(fā)動機怠速運轉頻率，以避免發(fā)生共振現(xiàn)象；車橋的模態(tài)頻率應該盡可能避開由車輪傳來的路面不平度激勵的頻率范圍；車橋的模態(tài)頻率應該避開發(fā)動機在常用轉速下工作時所產(chǎn)生慣性載荷的頻率范圍；車橋的模態(tài)振型應該光滑，避免發(fā)生突變。

因此，拖拉機由發(fā)動機引起的共振可能性不大。本研究僅討論由路面激勵可能引起的共振，由路面不平度激勵引起車橋的振動，與行駛速度有關，當拖拉機以速度v（m/s）行駛在空間頻率為Ω（m-1）的路面上時，輸入的時間頻率f（Hz）是Ω和v的乘積，即：

通過以上分析可知，由路面激勵引起車橋共振的可能性不大[10]。

5 結論

由靜力分析結果可以發(fā)現(xiàn)，在靜工況下后橋上各測點的最大應力值為160 MPa，小于后橋材料的許用應力。橋殼的最大應力響應點發(fā)生在半軸聯(lián)接器與輪轂相連處。

通過對車橋前5階模態(tài)的分析，可以得到車橋的固有頻率，從理論上保證了車橋的可靠性。

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