FR汽车前桥有限元建模及分析

南京林业大学
本科毕业设计（论文）题目：FR汽车前桥有限元建模及分析
学院：机械电子工程学院
专业：汽车设计
学号：0136114
学生姓名：汤学君
指导教师：羊玢
职称：讲师
目录
第一章摘要………………………………………………………………………………第二章 PRO/E wildfire 软件的介绍
第三章基本流程
第四章建模的过程
第五章分析过程
致谢 (71)
参考文献 (72)
附录…………………………………………………………………………………
摘要
本文题为《FR汽车前桥有限元建模及分析》,针对传统设计方法存在的弊端，着眼于先进技术的运用，力图采用CAD/CAE(Computer Aided Design /Computer Aided Engineering)方法设计汽车的前桥。

本设计是在Pro/e Wildfire 2.0下建立其3D模型。

模型建成后，直接利用PRO/E的CAE模块对其进行静力分析和模态分析和工况分析，以考察其变形、强度和刚度。

分析结果表明，该桥在各种载荷情况作用下静强度足够，各项性能指标均满足国家标准。

关键词：前桥Pro/e Wildfire建模有限元分析
ABSTRACT
The article’s title is automobile driving axle housing’s 3D CAD building and analysis based on parameters. In allusion to traditional design method’s malpractice and have advanced technology’s application in mind and try hard to design automobile driving axle housing by means of CAD/CAE method.
The article is based on YUEJING Group’s NJ1040 driving axle housing. On one hand, The author has built driving axle housing’s 3D computer model through software Unigraphics NX2.0，on the other hand, in order to review its deflection、intension and rigidity, the article has realized its static and modal analysis.
The result makes clear that driving axle housing’s static intension is enough under 2.5 times fully dynamic loaded, and all performance indexes satisfy state standard.
At last, the article makes elementary optimize design according to analyzing result, reduces the driving axle housing’s weight, retrenches its material and depresses the manufacture cost. Therefore, the analysis will establish a foundation for further optimize assay by the holy poker. Key words: Driving axle-housing UG building model FEA analysis
第一章PRO/E wildfire 的介绍
自从中国加入WTO和全球化日益盛行以来，市场的竞争一其前所未有的激烈态势呈现出来，无论对拼搏于期间的公司还是个人来说，都提高了新的考验。

如何应对新的挑战并在充满变数的环境中胜出，唯一的解决之道就是快速适应，快速调整和快速提升。

美国参数技术公司（PTC）的旗舰产品：Pro/Engineer自诞生之日起，就引起了业界的极大轰动。

十余年来，一直在领跑着MCAD技术的发展方向，定义着改行业的设计标准。

在国内，随着三维设计的推广应用，Pro/E软件已经成为结构设计，分析，加工等人员的桌面普及性工具及众多企业技术人员的必备素质。

Pro/Engineer本身是以cad（计算机辅助设计）为主，无法用来执行分析，不过Pro/E 所扮演的前处理（preprocessing）的角色。

重心在几何模型的创建，网格的生成。

Ptc另外提供专门用来分析的超强解决方案。

那就是Pro/Mechanica。

单一公司推出的两种产品：Pro/E,Pro/M最大的优点是：数据互通时不会有障碍。

Pro/Mechanic是Pro/M软件中的一个模块，它用于机构分析，包括：structure（结构），motion（运动），thermal（热），mold（模具），new simmdl（新建仿真模型）。

PRO/E 和PRO/MECHANICA是PTC公司的两个不同软件，PRO/E是我们常用的基本建模模块，而PRO/MECHANICA是专门的工程分析模块，可以独立于PRO/E运行。

主要用于动力学分析、静力学分析、强度分析、疲劳分析等等。

新推出的Wildfire 2.0版本，在三方面做出了大的突破，其一表现在用户使用方面，一改过去的交互方式，采用了新的用户精敏模型作为交互手段，使得选择和操作的过程大为简化。

根据权威机构的同比测试，竟然比中底端产品的设计效率提高50%以上，完全消除了高端软件功能强大但学习使用复杂困难两者之间难以逾越的鸿沟；其二为继承PTC的一贯作风，功能更加强大，诸如柔性造型零部件的引入，整体翘曲蠕动和动画仿真，运动分析和动力学分析与设计的完全融合等；其三为互连互通性，以往的设计软件与产品信息管理系统之间必须通过繁琐的集成操作才能进行沟通，由于Wildfire 2.0与PTC的Windchill PDMLink采用了同一Web结构描述体系，划时代地解决了设计工具与管理工具之间的互连互通问题，不需要任何额外努力即可实现在管理软件中操作设计工具和在设计软件软件里共享和管理受控信息。

第三章基本流程
第二章前桥的详细建模过程
4.1 新建一个文件
4.1.1
双击桌面上的图标进入Pro/E。

4.1.2. 单击，出现对话框，如图4－1 所示, , 单击“零件”，同时取消使缺
省模板，然后单击确认。

出现对话框如图4－2所示。

单击然
后单击确认。

这样就进入了草绘对话界面，如图4－3所示。

图4----1 图4----2
4.2 实体1
4.2.1单击，下面出现对话界面，单击放置，出
对话界面。

接着单击定义出现对话框，然后在草绘平面。

图4---3 图4----4 中任选一个平面，就进入绘图界面，如图4---3
4.2.2单中任选一个平面，就进入绘图界面，如图4---3。

击绘制如图4----4
的草图，单击进行各个尺寸的约束，并标注尺寸。

标注如图4---5。

单击进入
的对话框，输入拉伸值287。

同时单击。

这样就完成了拉伸工作，建成模型如图4—6。

图45 图4----6
4.3 实体2
4.3.1单击建立平面，出现对话框如图4---7，单击刚刚建立的模型的左或右平
面，同时输入平移值79。

这样就建立好一个平面。

4.3.2 单击其余和上面相同，最后建立的草绘平面如图。

4.3.3 最后建立模型如图4----8。

图4----7 图4----8
4.4 实体3
4.4.1单击插入菜单---混合---伸出项，弹出对话框如图4---9，单击完成出现属性
框和对话框如图4--10。

单击光滑后，单击完成。

出现对话框如图4----11，选取模型1的右平面。

出现对话框，选取正向。

出现对话框，选取缺省，进入草绘界面。

指定必要的参照。

然后关闭所有对话框进入草绘。

如图4---9 如图4—10 图4----11
4.4.2先画出模型2上的截面的草绘图，如图4---12。

图4---12
4.4.3 单击“草绘---特征工具---切换平面”转换到第二个平面，然后单击
出现对话框，选取环如图4----13 。

单击第二个平面，出现如图界面4----14。

注意：这时两个平面的方向必须一样，倘若点不一样就选取相同的点，然后单
击草绘---特征工具---起始点倘若点方向不一样就选取该点然后单击草绘---特
征工具---起始点，这样就可以使点完全一样
图4---13 图4----14
4.4.4 单击工具栏里的，出现对话框如图4---15，单击完成，出现对话框
输入79，然后单击。

接着出现对话框如图4---16，单击确定。

模型建好如图4----17红色部分。

图4---15 图4----16
图4---17 图4----18
4.5实体四
4.5.1单击，下面出现对话界面，单击放置出现
对话界面。

接着单击定义出现对话框，然后在草绘
平面中选一个模型2的下平面，就进入绘图界面，草绘平面如图4----18，单击工具栏里的
图4----19
，出现对话框输入值8。

单击。

完成建模如图4----19。

图4----20
4.5.2 选取刚才建立的模型，然后单击工具栏的，接着单击中间平面TOP，单
击，完成建模如图4----20。

4.6 实体五
4.6.1单击建立平面，出现对话框，单击模型的1右平面，选取方向，同时输入
平移54。

这样就建立好一个平面。

4.6.2 单击草绘—参考，在草绘区标出参照如图。

先画出模型2上的截面的草绘图，
如图4---21。

4.6.3 单击草绘---特征工具---切换平面。

画出模型2上的截面的草绘图4---22。

图4---21 图422
4.6.4单击工具栏里的，出现对话框如图。

单击完成，出现对话框4----23，输入值54。

单击。

完成建模如图4---24。

图4---23 图4---24 图4----25
4.7 实体六
4.7.1同4.5 建立模型如图4----25
4.8 实体七
4.8.1单击出现对话框，选择好参照和偏移参照如图.在草绘图中显示如图
4--26，单击确认，建立好点。

图4----26
4.8.2单击，出现对话框如图，选取point，在按下ctrl同时选取top平面。

出现对话框选择。

单击确定，完成基准线的建立，如图4---27。

图4---27
4.8.3 单击，出现对话框如图4—28。

建立好平面。

用同样的方式建立平面如图4---29。

图4 ---28 图4---29
4.8.3单击，下面出现对话界面，单击放置出现
对话界面。

接着单击定义出现对话框，选取平面如
图，就进入绘图界面，绘制草图如图4---30。

4.8.4单击工具栏里的，出现对话框输入值39。

单击。

完成建模如图4---31。

图4—30 图4----31
4.8.5同样在该圆柱的方面建立一个高为61的模型。

这样就完成一个高100的圆柱体模型如图4---32。

图4---32
4.8.6.单击，下面出现对话界面，单击放置出现
对话界面图4--33。

接着单击定义出现对话框，选取平面如图，就进入绘图界面，绘制草图如图4---44 。

图4—33 图4----34
4.8.7 单击工具栏里的，出现对话框输入值
95。

单击。

完成建模如图4---44。

图4----44
4.9 实体八
4.9.1 单击插入----扫描混合----伸出项出现对话框如图4---45，单击完成，出现
图4---45 图4---46 4--47 对话框如图4--46 单击草绘轨迹，出现对话框如图4--47 。

在草绘区选取TOP平面出现对话框，单击正向，单击缺省。

在草绘区建立轨迹如图4---48。

图4---48
4.9.2.单击出现对话框输入Z的转角90度。

进入第一个平面，草绘如图4--49。

单击出现对话框输入Z的转角0度。

进入第二个平面，草绘如图4--50。

{注意，1这里中间的线必须是虚线2这里矩形边上有14个点（和平面一吻合），3两个平面的起始点必须完全一样。

}.单击然后单击图中的确认。

完成建模如图4---51。

图4---49 图4---50
图4----51
4.10实体九
4.10.1.单击，下面出现对话界面，单击放置出现
对话界面。

接着单击定义出现对话框，选取圆柱底面，就进入绘图界面，绘制一个直径45的圆。

4.10.2单击工具栏里的，出现对话框，单击
并输入值200。

单击。

完成建模如图4---52。

图4---52
4.10.3单击，下面出现对话界面，单击放置出现
对话界面。

接着单击定义出现对话框，，就进入绘图界面，绘
图4---53 图4---54
制草图如图4---53。

单击工具栏里的，出现对话框
，单击并输入值200。

单击。

完成建模如图4---54。

4.10.4单击，下面出现对话界面，单击放置出现
对话界面。

接着单击定义出现对话框，，就进入绘图界面，绘
制草图如图4---55。

单击工具栏里的，出现对话框
，单击并输入值11。

单击。

完成建模如图4---56。

图4—55 图4---66
4.11 实体十
4.11.1单击，下面出现对话界面，单击放置出现
图4---57 图4---58
对话界面。

接着单击定义出现对话框，，就进入绘图界面，绘
制草图如图4---57。

单击工具栏里的，出现对话框
，并输入值25。

单击。

完成建模如图4---58。

4.11.2 用同样的方法完成了另一部分。

4.12 完成建模
用上面的方法完成整个前桥的建模如图4---59
图4---59
结构分析
5.1静力学分析
5.1.1 打开模型零件
5.1.1.1启动Pro\EGINEER。

5.1.1.2打开模型back2.prt. 模型如图5---1所示
图5---1
5.1.2 进入Pro\EGINEER的集成模式
5.1.2.1在Pro\EGINEER主菜单Application中选择Mechanica.
5.1.2.2系统提示进行单位系统确认,单击Continue 按钮继续,进入Pro\EGINEER集
成模式界面.
5.1.3 Pro\EGINEER集成模式进入Pro\EGINEER独
立模式。

5.1.3.1在MECHANICA菜单中单击Indep Mec, 然后单击
Structure,如图5---2所示.
5.1.3.2信息窗口显示出“Do you want to start
pro\MECHANICA ( pro\e will exit)”信息,如图5---3所示.
图5---3
5.1.3.3单击按钮启动pro\MECHANICA ,同时
Pro\EGINEER系统退出。

5.1.3.4进入pro\MECHANICA结构分析独立模式主界面,如图5—4。

5.1.4 网格划分
5.1.4.1单击Model菜单下Element:按钮
5.1.4.2选择Element菜单下的AutoGEM---V olume---ALL,单击鼠标中图5---2
键确定.
5.1.4.3系统模型中所有的体积块进行网格划分,并弹出AutoGEM Summary信息框,
如图5---5.从图5---5中可以看出,共划分1874个四面体单元.
5.1.4.4单击ok按钮关闭AutoGEM Summary信息框,系统显出有限元网格模型,如
图5----6所示.
5.1.4.5改变网格的显示形式.
1)单击pro\MECHANICA标题栏菜单Display---Setting…….,弹出Display Setting
对话框.
2)在Display Type 中选择Flat Shade.
3)在Display Quality中选择Medium
4)在Shade中选择Elements.
图5---5 图5---6
5)其它保留默认值,此时Display Setting对话框.如图5--7所示.单击accept按钮完
成设置.
6)从标题栏Display菜单下选择Master Visibilities,弹出Master Visibilities对话框,
取消选择Points,Cures,Surfaces,Constructs4项,如图5---8所示.单击Accept接受设计.
7)模型网格显示如图5---9所示.
图5---4
5.1.5 定义材料
5.1.5.1单击Model菜单下的Properties----Material, 系统弹出对话框.
5.1.5.2在Materials对话框的中Materials in Library:选择STEEL-mmNS,将其添至
右侧的Materials in Model: 中，如图5--10所示
5.1.5.3在Materials对话框的中单击Assign按钮,然后选择下拉菜单中的V olume,
单击Select菜单中All选项,单击鼠标中键接受选择.
图5---7 图5----8
5.1.5.4单击Close按钮关闭Materials对话框.
图5--- 9 图5----10
5.1.6 定义约束
5.1.
6.1首先改变模型的显示设置.
5.1.
6.2. Display Setting对话框设置如图5---10.
5.1.
6.3 Master Visibilities对话框设置如图5----11.
图5---10 图5----11
5.1.
6.4完成设置模型显示如图5----12.
图5---12 图5---13
5.1.
6.5单击Model菜单下的Constraints—Surface,系统弹出Constraints对话框.
5.1.
6.6保留默认约束名称和约束组名称.
5.1.
6.7单击Reference中Surface下方的按钮,选择两端孔的圆柱面,如图5---13,单
击鼠标中键确定.
5.1.
6.8接受坐标系为WCS不变.将6个自由度全部固定.单击ok按钮完成约束的
义,图中出现了约束标志,如图5---13.
5.1.7 定义裁荷
5.1.7.1单击Model菜单下Loads---Surface,系统弹出load对话框
5.1.7.2保留默认载荷名称和载荷组名称.
5.1.7.3单击Reference中Surface下方的按钮,选择模型中间两平台面,如图5---14,
单击鼠标中键确定.
图5---13 图5----14
5.1.7.4接受坐标系WCS不变.
5.1.7.5在Distribution中选取Total和Uniform.
5.1.7.6在Y Component中输入20000,如图5---15
5.1.7.7单击ok按钮完成载荷的定义,模型如图5----1
6.
图5---15 图5---16 5.1.8 建立分析任务
5.1.8.1 单击Main按钮返回到最上层Main菜单.
5.1.8.2在Main菜单中单击Analyses按钮,系统弹出Analyses对话框。

图5---17
5.1.8.3在Analyses对话框中的New Analyses例表中选择Static, 然后单击New
按纽新建立一个分析任务,系统弹出Static Analysis Definition对话框.
5.1.8.4在Static Analysis Definition对话框Name中输入back.
5.1.8.5在Constraints中选择ConstraintsSet1,在Loads中选择Loadset1.
5.1.8.6在Method中选择Sing—Pass Adaptive如图所示5---17
5.1.8.7单击OK按钮完成新任务的建立,单击Close按钮关闭Analyses1对话框5.1.9 运行分析任务
5.1.9.1在Main菜单中单击Run按钮,系统弹出Run对话框,如图所示5----18.
图5---18
5.1.9.2选择前面所建立的分析任务back,然后单击Start按钮,开始运行分析,系统首
先出现错误检查提示对话框.
5.1.9.3单击Y es按钮进行检查,系统进行分析过程,会显示一些信息.
5.1.9.4单击Run对话框的Summary…….按钮,显示计算摘要信息,如图所示5-19
图5---19
5.1.9.5单击计算摘要信息对话框中Close的按钮关闭对话框,单击Run对话框中
图5----20
Done按钮完成任务分析.
5.1.10 显示计算结果
5.1.10.1在Main菜单中单击Results按钮,系统会弹出Result Window 对话框.
5.1.10.2单击Create按钮, 输入结果窗口名称Window 1,单击Accept按钮确定.
5.1.10.3选择要显示结果的任务back, 单击Accept按钮确认.
5.1.10.4设置变形结果窗口各项信息.
1)输入结果标题,输入Deformation result.
2)在Quantity中选择Displacement.
3)在Location中选择All.
4)在Display中选择Fringe.
5)在Levels中选择8,勾选Continuous Tone.
6)勾选Deformed, 在Scale中输入10%.
7)各项设置如图5---20所示.单击Accept按钮完成设置.
5.1.10.5显示结果窗口.在Result Window 对话框选中Window 1, 然后单击Show
按钮,结果窗口显示如图5---21所示.
5.1.10.6结果以Html文件格式输出: 单击Result菜单中的Export HTML名令,
在弹出的对话框中输入必要的信息如图所示.
5.1.10.7 单击Export按钮输出文件results.htm,内容如图所示.
图5----21
5.2模态分析
5.2.1 打开模型零件
5.2.1.1启动Pro\EGINEER。

5.2.1.2打开模型back2.prt. 模型如图5—23。

图5---23
5.2.2 进入Pro\EGINEER的集成模式
5.2.2.1 在Pro\EGINEER主菜单Application中选择Mechanica。

5.2.2.2 系统提示进行单位系统确认,单击Continue 按钮继续,进入
Pro\EGINEER集成模式界面.如图5---24。

图5---24
5.2.3定义约束
5.2.3.1单击工具栏中施加约束的按钮（或者选择
Constraints---New----Surface）,出现约束对话框，接受默认的名称，单击Surface
下边的箭头按纽，选择两端孔的圆柱面，（选择第二个圆柱面时要按住ctrl键）
如图5---25
5.2.3.2接受坐标系为WCS不变。

将Y的转动取消约束，将其余的五自由度全
部约束，单击ok按钮完成约束的定义,图中出现了约束标志,如图5---26。

图5----25 图5---26
5.2.4 定义材料属性
5.2.4.1单击MEC—STRUCT菜单下的Model----Material, 系统弹出对话框.
5.2.4.2在Materials对话框的中Materials in Library:选择FEnodr,将其添至右侧的
Materials in Model: 中，如图5--27所示
图5---27
5.2.4.3在Materials对话框的中单击Assign按钮,然后选择下拉菜单中的part, 选
择模型如图5---28 单击鼠标中键接受选择。

.
5.2.4.4单击Close按钮关闭Materials对话框.。

图5--28
5.2.5 建立分析任务
5.2.5.1在MEC—STRUCT菜单中选择Analyses/Studies,在弹出的Analyses and
Design Studies 对话框中选择File---New Model……,弹出模态分析任务定义对话框，建立模态分析任务Analyse1如图5---29。

图5---29
5.2.5.2 在Model Analysis Definition 中的Mode,在Number of Mode 设置为5，
如图5—30。

5.2.5.3在Model Analysis Definition 中的Output, 将输出的结果设置成为如图
5---31。

图5---31
5.2.5.4在Model Analysis Definition 中的Convergence,在Method中选择Multi-Pass Adaptive,其他各项接受默认设置，如图5---31。

图5---30
图5----31
5.2.5.5 完成实体模态分析的定义Analysis1，单击图标开始分析计算
5.2.5.6单击Run对话框的.按钮,显示计算摘要信息,如图5---32所示。

图5---32
5.2.6 显示计算结果
5.2.
6.1 在MEC—STRUCT菜单中选择Results, 系统弹出结果后处理界面。

按钮,
输入结
5.2.
6.2单击工具栏中的图标，系统会弹出Result Window Definition 对话框，
设定结果的名称为W indow1，选择上面完成的分析Analysis1，如图.5—33。

图5---33
5.2.
6.3单击，显示modal1的结果如图5---34。

图5---34（横向向后弯曲）
5.2.
6.4 用同样的方式分别显示modal2 ，modal3，modal4 ，modal5，如图5—35，
图5—36，图5—37，图5—38。

图5----35（纵向向下弯曲）
图5---36（横向向前弯曲）
图5—37（纵向向上弯曲）
图5----38（弹簧座纵向向上弯曲）
5.2.7 结论
第一阶振型，上下弯曲振动，对应的频率是4659.4Hz
第二阶振型，水平面内弯曲振动，对应的频率是267.11Hz
第三阶振型，上下弯曲振动，对应的频率是300.94Hz
第四阶振型，扭转振动，对应的频率是391.52Hz
第五阶振型，上下弯曲振动，对应的频率是406.18Hz
6
5.3工况分析
5.3.1定义材料
前轴材料为45钢，计算时取泊松比μ=0.29，弹性模量E=2.07E+5MPa。

5.3.2受力及约束
前轴是汽车行驶系的主要承载部件，也是载重汽车的重要保安件。

汽车行驶时，其受力十分复杂。

汽车在行驶时，前轴所受载荷有三种工况，本文对三种危险工况进行了计算分析。

5.3.2.1垂直弯曲工况
前轴总成承受垂直方向冲击载荷作用计算时前轴单边垂直力取满载轴荷的2.5倍，并以分布力的形式作用于钢板弹簧座上，两端圆柱孔进行全约束。

5.3.2.2.紧急制动工况
汽车制动时，由于惯性力的作用，使前、后轴荷重新分配，前轴载荷增大，此时，前轴承受垂直力、前后力和扭矩等共同作用。

计算时将上述载荷施加于钢板弹簧座处，扭矩的施加是通过在钢板弹簧座4个螺栓孔中心分别施加方向相反的集中力实现的，两端圆柱孔进行全约束。

5.3.2.3.侧滑工况
汽车转弯时，由于侧向惯性力的作用，使左右车轮载荷重新分配，且两侧受力不等，前轴受垂直力和侧向力作用，这里取受力较大一侧进行计算。

计算时将上述载荷施加于钢板弹簧座处，两端圆柱孔进行全约束。

5.3.3计算结果及评价
垂直弯曲工况下三种载荷计算得到结果如图所示
图4 垂直弯曲工况位移图 (单位：mm) 紧急制动工况
侧滑工况
1.
前轴计算结果
5.3.4结论
●三种轴荷的前轴应力分布和变形规律均一致。

前轴在紧急制动工况变形最大，变形值
为1.55mm(4800KG)，垂直弯曲工况次之，侧滑最小；最大变形位置均在前轴中心对称断面处，前轴整体结构变形比较均匀。

●前轴在侧滑工况应力最高，最大主应力值为1150MPa（4500KG）。

●在垂直弯曲工况前轴应力分布呈竖向弯曲形式，紧急制动工况前轴应力分布呈纵向弯
从应力分析结果看，若按前轴材料的屈服极限为MPa，则应力能够满足设计要求。

deformation result of back
致谢
值此论文完成之际，谨向我的指导老师羊玢老师致以深深的敬意和最诚挚的感谢。

羊老师不仅在论文的撰写上给我很多的意见，而且在整个毕业设计的过程中，给我理清了思路。

借此机会，再次向羊老师致以深深的谢意。

同时本次论文的完成还得到了郑燕萍和汽车实验室各位老师的指导，在各方面给予了我热情的帮助，在此向他们表示衷心的感谢。

在论文的完成过程中，还得到了01361班各位同学的热情和耐心的帮助，在此一并表示最衷心的感谢。

参考文献
（1）、《汽车构造》（下册）陈家瑞机械工业出版社
（2）、《汽车理论》（第3版）余志生机械工业出版社
（3）、硕士论文：基于UG平台进行轻型卡车车身设计
（4）、《Pro/engineer wildfire结构分析》张继春徐斌机械工业出版社。