拖拉機前驅(qū)動橋殼是四輪驅(qū)動拖拉機上主要承載構(gòu)件之一，前驅(qū)動橋殼應(yīng)有足夠的強度和剛度，便于主減速器的拆裝和調(diào)整。由于其形狀復(fù)雜，應(yīng)力計算比較困難。根據(jù)車輛設(shè)計理論，前驅(qū)動橋殼的常規(guī)設(shè)計方法是將前橋殼看成一個簡支梁并校核幾種典型計算工況下某些特定斷面的最大應(yīng)力值，然后考慮一個安全系數(shù)來確定工作應(yīng)力，這種設(shè)計方法有很多局限性。近年來，隨著UG、Pro/ENGINEER等軟件的推廣，有限元方法顯示出它的獨特優(yōu)點。本文中所研究的對象是某型號四輪驅(qū)動拖拉機的前橋殼。
一、前驅(qū)動橋殼強度分析計算
1.受力分析
可將前橋殼視為一空心橫梁，兩端經(jīng)輪轂軸承支撐于車輪上，在前橋殼中間上方兩側(cè)有兩搭子，承受著來自拖拉機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，地面給輪胎一反力，受力如圖1所示。
圖1 驅(qū)動前橋殼的受力簡圖
2.強度計算
根據(jù)拖拉機的工作情況，前橋殼強度計算可主要考慮三種典型的工況，只要考慮在這三種載荷計算工況下前橋殼的強度得到保證，就認為該前橋殼在拖拉機行駛條件下是可靠的。
(1)牽引力或制動力最大時，前橋殼兩搭子處危險斷面的彎曲應(yīng)力σ為：σ=Mv/Wv+Mh/Wh。
式中,Mv是地面對車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是牽引力或制動力(一側(cè)車輪上的)在水平面內(nèi)引起的彎矩，Mh=Fx2b。
前橋殼危險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的計算方法如圖2所示。
圖2 斷面形狀及抗彎截面系數(shù)
(2)當側(cè)向力最大時，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)當拖拉機通過不平路面時，危險斷面的彎曲應(yīng)力為：σ=KYqb/2Wv
式中k為動載荷系數(shù)。對于轎車，k取1.75;對于貨車，k取2.0;對于越野車及拖拉機等，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.計算方法的局限性
上述前橋殼強度的傳統(tǒng)計算方法，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)力及其分布的真實情況。因此，它僅用于對前橋殼強度的驗算，或用作與其他車型的前橋殼強度進行比較，而不能用于計算前橋殼上某點(例如應(yīng)力集中點)的真實應(yīng)力值。使用有限元法對驅(qū)動前橋殼進行強度分析，只要計算模型簡化得當，受力約束處理合理，就可以得到比較詳細的應(yīng)力與變形的分布情況，這些都是上述傳統(tǒng)計算方法所難以辦到的。
二、有限元分析法計算
有限元法是工程領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的一種數(shù)值計算方法，在UG的結(jié)構(gòu)分析模塊中，整個有限元求解過程中最重要的環(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)果幾個部分。首先使用UG實體建模功能，完成前橋殼幾何模型的建立;然后單擊【應(yīng)用程序】圖標下拉菜單，或【應(yīng)用】︱【結(jié)構(gòu)】分析，彈出“創(chuàng)建解法”對話框單擊“顯示解法參數(shù)”選取項，在彈出的對話框中設(shè)置各選項;最后通過【賦材】︱【約束】︱【載荷】︱【劃分網(wǎng)格模型】︱【解算】等步驟，完成其分析過程。
1.有限元計算模型的建立
被分析拖拉機的參數(shù)有：前橋滿載負荷m2=1248KG，車輪中心線至搭子座中心距離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)標準，當承受滿載時，前橋殼最大變形量不能超過1.5mm/m;承受1.5倍滿載時，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：以前橋殼前后對稱中心和左右對稱中心的交點作為坐標原點，先后算出一側(cè)兩個典型截面的特殊點坐標，分別畫出兩截面草圖;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】得到;最后一起抽殼便可完成。
3.有限元模型
在UG的CAE模塊中進行有限元分析，可以直接引用建立的Scenario 模型。通過模型準備后簡化模型，可以有助于網(wǎng)格劃分，提高分析精度，縮短求解時間。
先對前驅(qū)動橋殼實體做必要的簡化，對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，對非承載件進行一定程度的簡化;接著對前驅(qū)動橋殼進行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時選用具有較高剛度及計算精度的四面體10節(jié)點單元，這樣將該零件劃分為26475個節(jié)點，13068個單元，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，在屏幕中將出現(xiàn)不同的結(jié)果。
圖5 解算結(jié)果
該驅(qū)動前橋殼的本體材料是QT400-15，從材料手冊中查出其彈性模量E=0.15MPa，泊松比μ=0.25，材料密度為7109。
計算前橋殼的垂直靜彎曲剛度和靜強度的方法是將前橋兩端固定，在搭子座處施加載荷，將前橋殼兩端車輪中心線處全部約束，然后在搭子座處施加規(guī)定載荷。在有限元模型中，前驅(qū)動橋殼在1.5倍滿載工況下，激活Results中的第一項，Displacement位移云圖便在屏幕上出現(xiàn);激活第三項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大應(yīng)力的情況下，應(yīng)力較大值分布在中央傳動兩側(cè)殼體的搭子座處，約為55.2MPa，遠小于材料的許用應(yīng)力300MPa～350MPa。所以，該前橋殼是符合結(jié)構(gòu)強度要求的。
圖6 滿載荷條件下的應(yīng)力云圖
三、結(jié)束語
本文利用UG軟件建立拖拉機零部件、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的有限元計算模型，在UG的CAE模塊中進行仿真分析和計算，可以降低設(shè)計開發(fā)成本，減少試驗次數(shù)，縮短設(shè)計開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，使得拖拉機性能在外形美觀、舒適性和操縱穩(wěn)定性方面得到改進和提高，具有一定的意義。