摘要：文章通过三维设计软件UG对某轻型汽车的驱动桥桥壳进行建模，并用NXNastran有限元分析软件对桥壳进行了强度计算和模态分析，得出了零件的应力和变形分布。通过对比不同厚度下驱动桥壳的各阶固有频率，选出了最优的驱动桥桥壳厚度，其计算结果为汽车驱动桥桥壳的结构设计和优化提供了依据。
关键词：驱动桥桥壳；建模；模态分析
1引言
汽车驱动桥桥壳是汽车上的主要承载构件之一，其应有足够的强度和刚度，并在满足使用要求的前提下应尽可能便于制造。根据汽车设计理论，驱动桥桥壳的常规设计方法是将桥壳看成一个简支梁并校核几种典型计算工况下某些特定断面的最大应力值，然后考虑一个安全系数来确定工作应力。由于这种设计方法有很多局限性，因此近年来许多研究人员利用有限元方法对驱动桥桥壳进行了计算和分析。
2有限元模型的建立
本次课题的研究对象是某轻型汽车的后驱动桥桥壳。由于整体式桥壳具有强度和刚度大，主减速器拆装、调整方便等优点，所以此次选择整体式桥壳作为分析对象。它由钢板冲压焊接而成，主要结构有桥壳本体、半轴套管、后桥盖总成、钢板弹簧固定座总成、减振器下支架总成、后制动底板固定法兰、凸缘盘等。
2.1三维模型的建立
实体建模时，尽量依照实际几何模型建立实体模型，但根据桥壳的实际受载情况，有些细节可以在建模时省略或简化。去掉那些对分析影响不大的特征(如倒角、圆角等)和一些小孔，把桥壳中部的牙包简化为球体外形，略去连接座上的螺栓孔。而轴肩处的圆弧不能省略，因为此处可能正是应力集中的地方。
本次设计通过UG软件建立的驱动桥壳模型如图1所示：
图1汽车驱动桥壳前侧
2.2确立有限元类型及网格划分
在UG的CAE模块中进行有限元分析，可以直接引用Scenario模型，并以下步骤进行：
1.新建FEM与仿真部件：设置求解器为NXNastran，分析类型为结构分析，结算方案设置成迭代求解，默认温度20摄氏度。
2.理想化模型：由于部件三维模型中的细节将影响整个结构的网格分布，增加网格的数量会使模型过于复杂。因此，去掉三维模型那些对分析影响不大的特征(如倒角、圆角等)和一些小孔。例如将直径小于10mm的孔删除，便于网格划分。
3.划分3D网格：采用UG/Scenarioforstructure进行网格划分，划分网格时选用四面体10节点单元(四面体10节点单元具有较高的刚度及计算精度)，全局单元尺寸大小为18.3，运用网格自动划分来建立桥壳有限元网格模型，部件中共有41272个节点，20634个单元，如图2所示：
图2驱动桥壳网格模型
4.填充材料：填充的材料为钢(库材料{13})，材料类型为各向同性，质量密度为7.829e-006kg/。
3桥壳结构有限元分析
3.1有限元分析方案
后桥是汽车中的重要部件，它承受着来自路面和悬架之间的各种力和力矩，如果设计不当会造成严重的后果。因此在设计过程中必须对其应力分布、变形等进行计算和校核，其项目如下：
(1)后桥桥壳垂直弯曲强度和刚度计算；
(2)后桥总成模态分析，计算后桥壳总成的固有频率及振型。
桥壳的相关数据：驱动桥满载后轴重为5.5T，簧距880mm，轮距1540mm，板簧座表面面积7000，桥壳本体材料选用09siVL-8钢板，查看相关手册，材料弹性模量E=5MPa，泊松比为0.3，屈服强度=355MPa，屈服极限510-610MPa，材料密度为7850kg/。根据国内外经验，垂向载荷均取为桥壳满载负荷的2.5倍，即为9.625MPa。
3.2结构静力学分析
计算桥壳的垂直弯曲刚度和强度的方法是将后桥两端固定，在弹簧座处施加载荷，将桥壳两端6个自由度全部约束，在弹簧座处施加规定的载荷。当承受满载轴荷时，根据国家标准，桥壳最大变形量不超过1.5mm/m，承受2.5倍满载轴荷时，桥壳不能出现断裂和塑性变形。
该约束在后桥两端半轴套管处施加，为固定约束；在弹簧座上施加静力载荷；如图3所示：
图3约束与载荷的施加
根据建立的有限元分析模型，通过NASTRAN解算器，计算了部件在2.5倍满载荷条件下的位移和应力。如图4、图5所示：
图4满载荷条件下的位移云图
图5满载荷条件下的应力云图
其结果如下：最大位移为2.301mm，最大应力出现在半轴套管约束处，为644.7Mpa，每米轮距的变形量为2.301mm/1.540m=1.493mm/m，小于规定的1.5mm/m。
从图5可以看出，在桥壳方形截面与牙包过渡的地方，其应力为275MPa左右，远小于其许用应力。
综上分析，8mm厚度的桥壳本体是完全符合桥壳结构强度要求的。
3.3驱动桥壳结构模态分析
新建解算方法solution2，解算方案类型选semodes103。
改变桥壳本体厚度做模态分析，固有频率结果如表1所示。（单位：Hz）
表1模态分析结果
从上表可以看出，在厚度降低时，桥壳的低阶固有频率是在不断地增加的，说明降低桥壳的厚度可以提高其低阶固有频率，从而提高桥壳刚度。
图6一阶模态云图
