拖拉機(jī)前驅(qū)動(dòng)橋殼是四輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)上主要承載構(gòu)件之一，前驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，便于主減速器的拆裝和調(diào)整。由于其形狀復(fù)雜，應(yīng)力計(jì)算比較困難。根據(jù)車(chē)輛設(shè)計(jì)理論，前驅(qū)動(dòng)橋殼的常規(guī)設(shè)計(jì)方法是將前橋殼看成一個(gè)簡(jiǎn)支梁并校核幾種典型計(jì)算工況下某些特定斷面的最大應(yīng)力值，然后考慮一個(gè)安全系數(shù)來(lái)確定工作應(yīng)力，這種設(shè)計(jì)方法有很多局限性。近年來(lái)，隨著UG、Pro/ENGINEER等軟件的推廣，有限元方法顯示出它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。本文中所研究的對(duì)象是某型號(hào)四輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)的前橋殼。
一、前驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度分析計(jì)算
1.受力分析
可將前橋殼視為一空心橫梁，兩端經(jīng)輪轂軸承支撐于車(chē)輪上，在前橋殼中間上方兩側(cè)有兩搭子，承受著來(lái)自拖拉機(jī)分配在前輪上的所有質(zhì)量(含前配重質(zhì)量)所引起的載荷;而沿左右輪胎中心線(xiàn)，地面給輪胎一反力，受力如圖1所示。
圖1 驅(qū)動(dòng)前橋殼的受力簡(jiǎn)圖
2.強(qiáng)度計(jì)算
根據(jù)拖拉機(jī)的工作情況，前橋殼強(qiáng)度計(jì)算可主要考慮三種典型的工況，只要考慮在這三種載荷計(jì)算工況下前橋殼的強(qiáng)度得到保證，就認(rèn)為該前橋殼在拖拉機(jī)行駛條件下是可靠的。
(1)牽引力或制動(dòng)力最大時(shí)，前橋殼兩搭子處危險(xiǎn)斷面的彎曲應(yīng)力σ為：σ=Mv/Wv+Mh/Wh。
式中,Mv是地面對(duì)車(chē)輪垂直反力在前橋殼搭子處斷面引起的垂直平面彎矩;Mv=Yqb/2， b為輪胎中心平面到搭子中心的橫向距離;Mh是牽引力或制動(dòng)力(一側(cè)車(chē)輪上的)在水平面內(nèi)引起的彎矩，Mh=Fx2b。
前橋殼危險(xiǎn)斷面處的形狀接近方形，其垂直平面與水平面彎曲抗彎截面系數(shù)Wv、Wh的計(jì)算方法如圖2所示。
圖2 斷面形狀及抗彎截面系數(shù)
(2)當(dāng)側(cè)向力最大時(shí)，外輪和內(nèi)輪上的垂直反力和Fz20、Fz2i以及前橋殼內(nèi)、外搭子座處斷面的彎曲應(yīng)力σi、σo之間的關(guān)系，分別為：
σi=(Fz2ib+ Fz2iφ1r)/Wv
σo=(Fz20b- Fz20φ1r)/Wv
其中，φ1為附著系數(shù)。
(3)當(dāng)拖拉機(jī)通過(guò)不平路面時(shí)，危險(xiǎn)斷面的彎曲應(yīng)力為：σ=KYqb/2Wv
式中k為動(dòng)載荷系數(shù)。對(duì)于轎車(chē)，k取1.75;對(duì)于貨車(chē)，k取2.0;對(duì)于越野車(chē)及拖拉機(jī)等，k取2.5。Yq是作用在前橋殼上所有垂直方向的載荷。
前橋殼的許用彎曲應(yīng)力為300MPa～500MPa，許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為150MPa～400MPa。球墨鑄鐵前橋殼取較小值，鋼板沖壓焊接前橋殼取較大值。
3.計(jì)算方法的局限性
上述前橋殼強(qiáng)度的傳統(tǒng)計(jì)算方法，只能算出某一斷面的應(yīng)力平均值，而不能完全反映前橋殼上應(yīng)力及其分布的真實(shí)情況。因此，它僅用于對(duì)前橋殼強(qiáng)度的驗(yàn)算，或用作與其他車(chē)型的前橋殼強(qiáng)度進(jìn)行比較，而不能用于計(jì)算前橋殼上某點(diǎn)(例如應(yīng)力集中點(diǎn))的真實(shí)應(yīng)力值。使用有限元法對(duì)驅(qū)動(dòng)前橋殼進(jìn)行強(qiáng)度分析，只要計(jì)算模型簡(jiǎn)化得當(dāng)，受力約束處理合理，就可以得到比較詳細(xì)的應(yīng)力與變形的分布情況，這些都是上述傳統(tǒng)計(jì)算方法所難以辦到的。
二、有限元分析法計(jì)算
有限元法是工程領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的一種數(shù)值計(jì)算方法，在UG的結(jié)構(gòu)分析模塊中，整個(gè)有限元求解過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)是有限元前處理模型的建立。這一般包括模型分析準(zhǔn)備、建立有限元模型、編輯有限元模型、分析和查看結(jié)果幾個(gè)部分。首先使用UG實(shí)體建模功能，完成前橋殼幾何模型的建立;然后單擊【應(yīng)用程序】圖標(biāo)下拉菜單，或【應(yīng)用】︱【結(jié)構(gòu)】分析，彈出“創(chuàng)建解法”對(duì)話(huà)框單擊“顯示解法參數(shù)”選取項(xiàng)，在彈出的對(duì)話(huà)框中設(shè)置各選項(xiàng);最后通過(guò)【賦材】︱【約束】︱【載荷】︱【劃分網(wǎng)格模型】︱【解算】等步驟，完成其分析過(guò)程。
1.有限元計(jì)算模型的建立
被分析拖拉機(jī)的參數(shù)有：前橋滿(mǎn)載負(fù)荷m2=1248KG，車(chē)輪中心線(xiàn)至搭子座中心距離b=389mm，兩搭子座中心間的距離s=310mm，前橋殼本身的重力G0=931.6N，前橋殼設(shè)計(jì)的安全系數(shù)為5，搭子上表面面積2500mm2，由此可得到面載荷為4.31MPa。根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)承受滿(mǎn)載時(shí)，前橋殼最大變形量不能超過(guò)1.5mm/m;承受1.5倍滿(mǎn)載時(shí)，前橋殼不能出現(xiàn)斷裂和塑性變形。所以垂直方向的載荷取滿(mǎn)載的1.5倍，即4.31×1.5=6.465(MPa)。
2.建立三維模型
首先在UG中建立前驅(qū)動(dòng)橋殼的三維模型，如圖3所示。
圖3 前橋殼的三維模型
該建模的關(guān)鍵是兩側(cè)變截面部分：以前橋殼前后對(duì)稱(chēng)中心和左右對(duì)稱(chēng)中心的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，先后算出一側(cè)兩個(gè)典型截面的特殊點(diǎn)坐標(biāo)，分別畫(huà)出兩截面草圖;再用【插入】︱【自由形式特征】︱【直紋曲面】;殼體的中間部分可以用【插入】︱【成形特征】︱【回轉(zhuǎn)】得到兩連接法蘭端，也可用【插入】︱【成形特征】︱【圓臺(tái)】得到;最后一起抽殼便可完成。
3.有限元模型
在UG的CAE模塊中進(jìn)行有限元分析，可以直接引用建立的Scenario 模型。通過(guò)模型準(zhǔn)備后簡(jiǎn)化模型，可以有助于網(wǎng)格劃分，提高分析精度，縮短求解時(shí)間。
先對(duì)前驅(qū)動(dòng)橋殼實(shí)體做必要的簡(jiǎn)化，對(duì)主要承載件均保留其原結(jié)構(gòu)形狀，以反映其力學(xué)特性，對(duì)非承載件進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化;接著對(duì)前驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時(shí)選用具有較高剛度及計(jì)算精度的四面體10節(jié)點(diǎn)單元，這樣將該零件劃分為26475個(gè)節(jié)點(diǎn)，13068個(gè)單元，如圖4所示。
圖4 前橋殼的有限元模型
4.解算結(jié)果
UG的CAE模塊提供較完整的后處理方式。在解算完成后，在Scenario導(dǎo)航器中,可以看見(jiàn)在Results下激活了各種解算結(jié)果，如圖5所示，選擇不同的選項(xiàng)，在屏幕中將出現(xiàn)不同的結(jié)果。
圖5 解算結(jié)果
該驅(qū)動(dòng)前橋殼的本體材料是QT400-15，從材料手冊(cè)中查出其彈性模量E=0.15MPa，泊松比μ=0.25，材料密度為7109。
計(jì)算前橋殼的垂直靜彎曲剛度和靜強(qiáng)度的方法是將前橋兩端固定，在搭子座處施加載荷，將前橋殼兩端車(chē)輪中心線(xiàn)處全部約束，然后在搭子座處施加規(guī)定載荷。在有限元模型中，前驅(qū)動(dòng)橋殼在1.5倍滿(mǎn)載工況下，激活Results中的第一項(xiàng)，Displacement位移云圖便在屏幕上出現(xiàn);激活第三項(xiàng)Stress即顯示為應(yīng)力云圖，如圖6所示。結(jié)果表明，最大位移為1.352E-003m。在不考慮由于約束影響造成的局部過(guò)大應(yīng)力的情況下，應(yīng)力較大值分布在中央傳動(dòng)兩側(cè)殼體的搭子座處，約為55.2MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力300MPa～350MPa。所以，該前橋殼是符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的。
圖6 滿(mǎn)載荷條件下的應(yīng)力云圖
三、結(jié)束語(yǔ)
本文利用UG軟件建立拖拉機(jī)零部件、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的有限元計(jì)算模型，在UG的CAE模塊中進(jìn)行仿真分析和計(jì)算，可以降低設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本，減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，使得拖拉機(jī)性能在外形美觀(guān)、舒適性和操縱穩(wěn)定性方面得到改進(jìn)和提高，具有一定的意義。