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汽车桥壳参数化设计与性能仿真系统研究

来源：华佗健康网

华中科技大学硕士学位论文

汽车桥壳参数化设计与性能仿真系统研究

姓名：丁律辉申请学位级别：硕士专业：机械设计及汽车工程

指导教师：黄其柏

20060427

华中科技大学硕士学位论文

摘要

驱动桥是汽车传动系统中的一个重要的部件，其结构形式、性能好坏直接影响到汽车整车的行驶和动力性能。驱动桥壳承受载荷大，而传统力学计算方法又存在无法获得驱动桥总体应力分布的缺陷。本论文采用传统力学计算方法、三维实体建模方法、有限元方法，强度分析方法等对汽车驱动桥做了详细的研究工作，并在此基础上开发了汽车驱动桥壳CAE软件分析系统，对产品开发周期的缩短和开发费用的减少具有重大的实际意义。

本论文以某驱动桥壳为模型，首先运用计算机三维建模软件UG建立了汽车驱动桥参数化的三维仿真模型，并利用Visual C++开发了参数化建模的界面和接口。将导入到PATRAN中得到汽车驱动桥及桥壳的力学模型，根据力学模型建立了桥壳有限元模型，包括网格的划分、边界条件的确定、载荷的施加等。用有限元分析软件（PATRAN）对桥壳进行有限元分析和计算，输出应力、应变云图，验证了有限元模型的正确性和分析结果的可靠性。通过CAE分析，找出了汽车驱动桥壳的薄弱环节，与工程实际相吻合。然后利用Visual C++ 6.0强大的编程功能，并结合PCL语言，实现了驱动桥壳的参数化建模、自动划分网格、动态加载分析等功能，完成Visual C++开发界面与PATRAN之间的无缝连接。利用这些接口，设计并实现了一个车桥CAE分析系统。

关键词：驱动桥壳参数化模型有限元 CAE

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Abstract

The drive axle is a vital important component to automobile, because its structure constituent and property have much direct effect on kinematics and dynamic performance of automobile. The drive axle bears large load, while the traditional mechanics technologies unable to obtain the defect of stress that distributed the overall the transaxle. In this paper, detail description is given for the structure constitute and working characteristic of drive axle, and traditional mechanics calculation technologies, three-dimensional entity's modeling method, finite element method, etc, are adopted. Base on these, the analysis system of CAE on drive axle is development. In this system, products development period and development fee are significance reduced.

In this thesis, parameterized three-dimensional model of drive axle is established by UG, and then interface of parameterize design is made by Visual C++. The geometry modle is import to PATRAN, mechanics model of axle shell is built, and Finite element method has been used to analysis stress, strain, deformation by using PATRAN. The picture about stress, strain and deformation is exported in this paper after finite element analysis. Through the analyses of CAE, the weak point of the drive axle have been found out, which identify actually with the practice. Based on this, the Visual C++ with the powerful ability combined with PCL language realizes the seamless interface between the customer surface developed by Visual C++ and PATRAN. Making parameterized modeling of the drive axle, meshing automatically, loading and analysing, etc. can be done in this system.

Key words: drive axle parameterized modeling finite element method CAE

II独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：日期：年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□ ，在______年解密后适用本授权书。本论文属于

√ 。不保密□

（请在以上方框内打“√”）

学位论文作者签名：

指导教师签名：日期：年月日

日期：年月日

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1 绪论

1.1 课题来源

本课题来源于与江铃汽车底盘股份有限公司合作项目“汽车车桥CAE软件开发”项目。

1.2 课题研究的背景、目的和意义

近十年来计算机技术在汽车工业中的应用日益突出，应用领域不断拓宽，应用力度随之加强，由当初功能单一的CAD，逐步到如今覆盖产品开发－制造－营销－服务全过程。汽车新产品的开发和改型设计手段正从传统的手工设计、建模以及简单分析向CAD/CAE/CAM发展，产品的开发过程正从设计－试制－修正这样一个多重循环过程向VPD（Virtual Product Development，产品虚拟开发）方向转化。这种以现代化电子计算机软硬件技术为支撑的CAD/CAE/CAM方法代表了一种更先进的设计方法。通过应用计算机，采用仿真、模拟等手段使现代设计更趋形象化、具体化和智能化。它能把工程技术人员从繁重的设计计算中解放出来，去从事更富有创新性的工作。更为重要的是它能综合汽车工业几十年积累起来的大量实践经验，帮助设计人员尽可能多地节省从设计初稿到产品定型所花费的实践，减少“设计－改进”的循环次数，同时它能部分代替原型样机试制和台架试验，使汽车行业新产品开发所消耗的巨额费用得到显著的降低。从国外各大跨国汽车制造商的新产品开发和改型设计的实践证明，汽车CAD/CAE/CAM技术已无可辩驳地缩短产品开发周期，降低产品开发费用及制造成本，增强产品在国际市场竞争力具有决定性意义的贡献因素。

在汽车的设计于制造中，汽车驱动桥壳是一个重要的组成部分，它承担了汽车的主要重量，同时要适应较为恶劣的形势路况，确保其行驶的安全性和可靠性。本课题针对汽车驱动桥壳的特性展开研究，建立驱动桥壳的三维几何模型和有限元分

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析模型；通过数学模型分析和三维参数化模型的可视仿真，在几个典型路况下分析机构的运动和受力特性，弥补目前汽车驱动桥壳设计、分析手段上的不足，提高设计质量和设计效率；在参数化建模的基础上，进一步开发汽车驱动桥壳CAE分析软件，使工程技术人员在专业化的软件下进行车桥的设计，节省大量繁重的计算，为创新化设计提供可能。

本课题是对汽车驱动桥壳的计算机辅助参数化设计方面的尝试，并为进一步研究整车的计算机辅助设计提供经验。同时课题也紧跟了国外一些大型汽车制造公司在车辆设计和制造方面的最新手段，通过计算机这个一现代化高效能的设计工具，将汽车驱动桥壳较为成熟的设计理论与计算机实际应用相结合，减轻设计强度和工作量，提高效率，优化分析，增强汽车驱动桥壳的设计和分析能力。

1.3 国内外研究现状和研究方法

国内重庆大学龙慧、陈文吉[1]等采用I-Deas软件对ZL50装载机前驱动桥壳进行了有限元强度分析，计算出桥壳应力、应变分布和应力集中，为提高驱动桥壳的承载能力及新产品的开发提供了较为可靠的依据。I-Deas是将实体模型、有限元前后处理、求解、系统动态分析等集成一体的工程分析软件。能高效准确建立实体三维模型，并自动生成有限元网格模型。利用I-Deas软件对ZL50装载机前驱动桥壳在装载机满载进行紧急制动、通过不平路面最大垂直动负荷作用的两种典型工况下，分析应力应变分布和桥壳局部应力集中的大小和位置。

在国内，随着计算机硬件平台成本的降低，计算机辅助设计、分析软件在机械包括汽车领域的应用也日趋成熟，入UG、PRO/E、CATIA、ADAMS等，并且在一些方面取得了很好的成果。如今国内的主要汽车生产商和开发单位如上海大众、一汽大众等汽车制造公司都针对车辆设计、制造上的问题提出专门的研究课题，并采用计算机仿真软件进行攻关。

驱动桥是工程机械底盘的重要部件，其性能直接影响着机器的整体性能。大量实践表明，由于受力复杂，它是各种车辆上比较容易出现破坏的部件之一。因此，

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国内外都对此进行了大量的研究，主要集中于以下几个方面： 1.3.1 有限元法

有限元法就是把一个弹性连续体划分为有限大小的、彼此只在有限个点连接的、有限个单元组合体来研究的方法。它是随着计算机技术的飞速发展而出现的一种根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法。其基本前提是：将连续的求解域离散为一组有限个单元的组合体。这样的组合体能解析地模拟或逼近求解区域。由于单元按照不同的连接方式组合在一起，且单元本身又可以有不同的几何形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限元法作为一种数值分析方法的另一重要步骤是利用在每一个单元内假设的近似函数来表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知函数在各个单元节点上的数值及插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限分析中未知场函数的节点值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由的问题离散成有限的自由度问题。一经求出这些未知量，就可以利用插值函数来确定单元组合体上的场函数。显然，随着单元数目的增多，解的近似程度将不断改进，如果单元是满足收敛要求的，近似解将收敛于精确解[2,3]。。

有限元法是计算数学、计算力学和计算工程科学领域里诞生的最有效的计算方法。有限元方法形态丰富，理论基础完善，且己经开发出一批通用有限元程序，使用这些软件可以解决工程领域众多的大型科学和计算难题，有限元计算结果己成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。许多有限元分析程序将有限元分析、计算机图形学与优化技术结合起来，形成完整的计算机辅助设计系统，可显著提高产品设计性能，缩短设计周期，增强产品的竞争力。

在众多有限元分析商业软件中，PATRAN是最通用有效的软件之一[4,5]。它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，确保高效的求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题以及热分析和热--结构耦合问题，其高级分析技术还能进行参数化设计、优化设计和拓扑优化等。

运用有限元既可以进行新产品的设计，又可以用来对己有产品进行验算，还可以分析产品失效的原因并进行改进，国内很多人对此进行了研究。文献[36]用I-Deas

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软件对装载机的前驱动桥壳进行了有限元强度分析，计算出桥壳应力、变形分布和应力集中，为提高驱动桥壳的承载能力和新产品的开发提供了较为可靠的依据；蒋国平，陈步达等[38]分析了某微型汽车的驱动桥失效原因，发现是由于局部的静强度不足所造成，进而根据有限元计算结果对结构进行了改进。 1.3.2 模态分析

模态分析是对工程结构进行振动分析研究的最先进的现代化方法与手段之一。它可以定义为对结构动态特性的解析分析（有限元分析）和实验分析（实验模态分析），其结构动态特性用模态参数来表征。在数学上，模态参数是力学系统运动微分方程的特征值和特征向量；而在实验方面，则是测得的系统的极点（固有频率和阻尼）和振型（模态向量）[6,7]。

模态分析技术的特点与优点是在对系统做动力学分析时，用模态坐标代替物理学坐标，从而可大大压缩系统分析的自由度数目，分析精度较高。对于大型复杂的系统，比如汽车，可以采用子结构分析方法。它是把复杂的大型结构划分为各子结构，分别对子结构进行有限元分析或实验模态分析，取得子结构的动力模型及其特性参数，再将子结构按照一定方法综合成一整体进行分析，是一种有效缩减自由度的方法。

驱动桥的振动特性不但直接影响着其本身的强度，而且也对整车的舒适性和平顺性有着至关重要的影响。因此，对驱动桥进行模态分析，掌握和改善其振动特性，是设计中的重要方面。另外，模态分析也是进一步的谐响应分析、瞬态动力学分析的前提。

陈朝阳，石琴等，在论文“驱动桥壳多输入/多输出时域模态分析”[8]中介绍了多输/多输出理论模态分析的基本方法，并用该方法对一模型进行了计算，得到其理论解；同时又对该模型进行了实验模态分析，得到了实验解。两种解的误差很小，说明该理论分析方法完全可以应用于驱动桥的模态分析中。文献蒋国平，陈步达等

[41,48]

分别用实验模态分析技术对刚投入使用的驱动桥进行模态分析，得到了所研究

驱动桥的前几阶固有频率和模态振型，并由此进一步指出了使用中可能出现的问题

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和部位。

褚志刚等[9]通过模态分析方法找到了某汽车驱动桥的破坏原因。该驱动桥壳在使用中中部区域常出现裂纹，静强度计算表明该桥壳静应力分布合理，破坏区的静应力很小。模态分析中桥壳的前九阶频率在路面谱频率范围内，在路面谱的激励下很容易引起垂直方向的共振。进一步的强迫振动分析表明，中部某些部位应力超过了材料的强度极限，动态特性不好，动强度不足是破坏的根本原因。这不但说明模态分析在驱动桥的研究和设计中有着具体的应用，而且还是必要的。因为传统的设计和分析方法不足以解决汽车关键部件的动态承载强度问题。 1.3.3 有限元分析工程在汽车设计中的应用

对于车辆及发动机中的许多重要零部件的强度、刚度计算问题，传统的方法通常都要对复杂的几何形状、受力状况和约束状态等进行较大的简化，并只能应用一些较为简单的力学公式对简化后的结构进行粗略估算，一般计算结果与世纪情况都有一定的差别。为安全可靠起见，常常要选择过大的安全系数，结果使结构尺寸和体积重量偏大；同时，由于计算粗略，也可能出现某些薄弱环节或结构局部的强度或刚度不能满要求的现象。按照国外的样车、样机进行测绘仿制，或在测试、使用中发现问题后再对设计方案加以改进，都不能算是真正的解决问题的途径[10]。随着计算机技术的发展而发展起来的有限元方法是一种分析计算复杂结构极为有效的数值计算方法。它先将连续的分析对象剖分成由有限个单元组成的离散组合体，运用力学知识分析每个单元的力学特性，再组集各个单元的特性，组成一个整体结构的控制方程组，通过计算，得到整个构件的应力场和位移场等，这种方法的整个计算过程十分规范，主要步骤都可以通过计算机来完成，是一种十分有效的分析方法。由于有限元工程分析旨在确定由作用于集体结构上的外部载荷所引起的应力和应变，从而判断集体结构承受各种严重载荷时满足规定强度、刚度要求的能力，因此它除用于静强度校核外，还能作为耐久性分析、损伤容限分析、设计阶段研制试验项目选择、关键部位的确定、材料选择，以及作为强度验证试验中选择载荷情况等的依据。同时，它也是全机或部件传力分析的重要手段[11]。

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有限元法用于汽车设计与分析，是从近二、三十年才开始的。1970年美国宇航局有限元分析程序NASTRAN的引入，标志着以有限元分析为基础的汽车结构设计与分析的开始[12]。1977年，通用汽车公司就率先在车身开发中应用了分析与试验验证相结合的方法。利用有限元法，先对结构进行静态分析，然后用试验结构进行证明。目前有限元分析方法在汽车设计上主要有以下几种应用[13,14]。

1、结构静力分析：这是在车辆及发动机的各种零部件设计中最常见的问题，也是应用最广泛的领域，即分析计算结构与实践无关的应力分布与变形情况。例如齿轮轮齿、钢板弹簧、车架、发动机缸体、缸套、进(排)气阀、活塞、飞轮等的静力分析。

2、结构动力学问题：可分为两类问题：一类是求解结构或系统本身的动态特性，如固有频率、振型等，这对分析与解决振动问题是十分重要的；另一类是强迫响应分析，这较静力分析更接近于车辆及其发动机中的许多零部件的实际工作情况，但一般计算量也将增加许多倍。随着对环境问题的日益重视，在车辆及发动机的设计中己普遍采用各种分析工具，采取各种有效措施，来改善和减少车辆的振动和噪声。例如车辆动力装置的动态性分析等。

3、温度场分析：分析结构内部温度的分布情况以及热应力和热变形的情况，包括稳态和瞬态的问题，例如可应用于发动机中的活塞、汽缸盖等燃烧室附近的零部件。在进行这类零部件的强度刚度分析计算时，不仅要考虑机械负荷，而且还要同时考虑热负荷。

4、流场分析：是有限元方法在流体力学领域中的应用。一般流场分析是非线性问题，较为复杂。解决流场力学中的问题应用较多的是有限差分发与可以认为是介于有限差分法和有限元方法之间的有限容积法。这一类问题的应用实例有：车辆外形对行驶阻力的影响的分析、对发动机冷却系统的分析等。 1.3.4 参数化造型技术 1. 参数化设计的概念

参数设计是用一组参数来定义几何图形（体素）尺寸数值并约定尺寸关系，提

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供给设计者进行几何造型使用[15]。参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，设计结果的修改受到尺寸驱动(Dimension Driven)。生产中常用于设计对象的结构形状比较定型的产品，系列化标准件就是属于这一类型。参数设计系统的原理如图1.1所示：

几何形体方程求解几何约束实例匹配求解实例几何尺寸

图1.1 参数化设计原理图

计算方程组中的方程是根据设计对象的工程原理而建立的求解参数的方程式，参数化造型的主要技术特点是：（1）约束(constraint)

约束的概念是利用一些法则或限制条件来规定构成实体的元素之间的关系。约束可分为尺寸约束和几何拓扑约束。尺寸约束一般指对大小、角度、直径、半径、坐标位置等这些可以具体测量的数值量进行限制；几何拓扑约束一般指平行、垂直、共线、相切等这些非数值的几何关系方面的限制；也可以形成一个简单的关系式约束，如一条边与另一条边的长度相等、某圆心的坐标分别等于另一矩形的长、宽等。全尺寸约束是将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发（全约束），不能漏注尺寸（欠约束），不能多注尺寸（过约束）。（2）尺寸驱动

通过约束推理确定需要修改某一尺寸参数时，系统自动检索出此尺寸参数对应

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的数据结构，找出相关参数计算的方程组并计算出参数，驱动几何图形状的改变。（3）数据相关

尺寸参数的修改导致其它相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。采用这种计算的理由在于：它彻底克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸形式而牢牢地控制住。如打算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值即可实现形状上的改变。尺寸驱动在道理上容易理解，尤其对于那些习惯看图纸、以尺寸来描述零件的设计者十分方便。（4）基于特征的设计

将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。 2. 参数设计方法

参数设计程中，从已有CAD图形文件中查找约束关系，将固定尺寸的图形自动转化成参数化图形，新开发的参数绘图软件的算法应有利于旧图的参数化重建[16]。目前，这是参数化设计中应用最多的方法。对于系列化、通用化和标准化的定型产品（如模具、夹具、液压缸、组合机床、阀门等）设计所采用的数学模型及产品的结构都是相对固定不变的，所不同的只是产品结构尺寸有所差异，而结构尺寸的差异是由于相同数目及类型的已知条件在不同规格的产品设计中取不同值而造成的

[17]

。这类产品可以将已知条件和随着产品规格而变化的基本参数用相应的变量代替，

然后根据这些已知条件和基本参数，由计算机自动查询图形数据库，由专门的绘图生成软件在屏幕上自动地设计出图形来。 3. 三维实体的参数化设计

参数化造型的主体思想是用几何约束、数学方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到设计一族在形状和功能上具有相似性的设计方案。参数化实体造型的关键是几何约束关系的提取表达、求解以及参数化几何模型的构造，三维实体几何约束关系可表示为[18]：

1）由算术运算符、逻辑比较运算符和标准数学函数组成的等式或不等式关系，它们可以在参数化造型系统的命令窗中直接以命令行形式输入；

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2）曲线关系，直接把物理实验曲线或其它特性曲线用于几何造型；

3）关系文件，是许多关系命令行语句和特定语句的集合。多种几何约束关系，包括联立方程组可以写成一种特定格式的文件(即用户编程)，输入到计算机，成批驱动几何设计。例如，确定一个立方体的长（L）、宽（W）、高（H）约束条件可以用立方体的底面积和底面周长来形成；

4）面向人工智能的知识表达方式，这种方式将组成几何形体的约束关系、几何与拓扑结构用一阶逻辑谓词的形式描述，并写入知识库中。知识表达的方式一方面是以符号化为形式表达各种类型的数据，求取符号解；另一方面是加上基于约束的几何推理，求取数值解，从而在更大程度上实现机械产品的智能设计。3D参数化模型是由几何模型和约束信息两大部分组成。根据几何尺寸约束和拓扑信息的模型构造的先后次序，亦即它们之间的依存关系，参数化造型可分为两类：一类是几何约束作用在具有固定拓扑结构形体的几何体素上，几何约束值不改变几何模型的拓扑结构，而是改变几何模型的公称大小。这类参数化造型系统以B-rep为其内部表达的主模型。另一类是先说明参数化模型的几何构成要素及它们之间的约束关系，而模型的拓扑结构是由约束关系决定的。这类参数造型系统以CSG表达式为内部的主模型，可以改变实体模型的拓扑结构，并且便于以过程化的形式记录构造的整个过程。

1.4 本文的主要研究内容和论文结构

本课题主要是进行汽车驱动桥壳结构参数化设计、CAE分析初步研究并在此基础上开发了汽车驱动桥壳CAE分析系统等工作，研究的主要内容有如下四点：

（1）研究CAD软件UG二次开发方法及实现途径，建立驱动桥壳的三维几何模型，并在此基础上利用Visual C++实现了车桥在UG中的参数化建模；

（2）利用理论力学的方法计算在不同工况下驱动桥壳的受力，并以此为依据确定CAE分析中的加载和边界条件；将建立的驱动桥壳三维模型导入到PATRAN中进行CAE分析，找出驱动桥壳的薄弱环节；

（3）研究CAD与CAE的数据接口问题，利用PATRAN有限元软件及其二次开发

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工具（如PCL语言），开发汽车驱动桥壳的CAE分析软件。

软件具有如下特点：汽车驱动桥壳的参数化设计，包括CAD模型的导入和加载；驱动桥壳的网格划分及有限元模型的生成；用户界面友好，即使对于不太精通UG和PATRAN的用户也可以方便的进行桥壳尺寸的设计和CAE分析。

本课题研究的关键问题有如下四点：

（1）汽车驱动桥壳的参数化几何模型和有限元计算模型的建立；（2）深入研究PATRAN的CAE分析的原理和方法；（3）能否顺利实现CAD和CAE系统的接口问题；

（4）如何对PATRAN进行二次开发以实现汽车驱动桥壳的参数化设计和CAE分析。

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2. 基于UG的驱动桥壳参数化建模

2.1 UG软件概述

Unigraphics（以下简称UG）软件源于美国麦道（McDonnell Douglas）飞机公司。UG 软件从70 年代开发以来，经历了基于图纸（74年）、基于特征（88 年)、基于过程（95年）和基于知识（2000 年）的发展阶段，功能不断得到扩展，在CAD/CAE/CAM/PDM 等领域占有的市场不断扩大，有独领风骚之势[19]。

UG 软件包含CAD/CAE/CAM、计算机辅助工业设计、知识驱动自动化、数据交换和其他特殊应用等功能。它以CAD/CAE/CAM一体化而著称，可以支持目前市场上销售的不同厂家的所有工作平台[20]。1991年11月UG被并入美国通用汽车公司的EDS部分。多年来，UG软件汇集了美国工业心脏和灵魂（航天、航空与汽车工业）的专业经验，发展成为世界一流的集成机械设计和分析软件，并被多家美国和世界著名公司选定为企业计算机辅助设计、分析和制造的标准，现已广泛的应用于航天航空、汽车、发动机、通用机械及模具等各个领域。EDS公司曾经一度于美国最大的公司GM合并，并结合汽车工业的实际进行了UG的完善，因此该软件非常适合汽车工业行业[21]。

UG 软件在CAD方面的建模和造型分为两个模块－实体造型和自由曲面造型。在造型功能方面，除其他软件所具有的通用功能外，它还拥有灵活的复合建模、齐备的仿真照相、细腻的动画渲染和快速的原型工具，仅复合建模就可让用户在实体建模、曲面建模、线框建模和基于特征的参数建模中任意选择，使设计者可根据工程设计实际情况确定最佳建模方式，从而得到最佳设计效果[22,23]。在本次汽车驱动桥壳的开发过程中，各有关零部件CAD数据的获得和几何模型的设计都是通过UG软件完成的。

同其他的AMD软件（例如：CATIAV4,IDEAS MASTER, PRO/E,EUCLID）相比，UG软件的优势在于：用于产品开发机能，产品信息方面综合管理机能，以及

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对设计部门和制造部门之间出现的矛盾加以解决，使两个部门得以有机结合即CAD/CAM有机结合等功能方面[24]。

UG软件的实体建模（Modeling）是其它所有几何造型产品的基础，它将约束的特征建模和传统的几个建模方法融为一体，形成天衣无缝的复合式建模工具。这种建模方法是目前最为先进的建模技术，它能方便灵活地编辑和修改特征到自由形状曲面的所有实体模型，并能充分发挥传统的实体、曲面和线框造型的长处。为了说明复合建模的特点，它将与传统的CAD系统和参数化CAD系统从造型方法、修改编辑等方面作一对比[25]。如图2.1所示。

传统CAD系统

造型方法

参数化CAD系统复合式CAD系统

通过简单的线框和基于约束的建模方在传统线框和实表面进行建模

法，建模是依赖于定体建模基础上融义的参数化的表达入特征建模的方式

法

具有

是否具有概论设计

几何模型间内在关联

尺寸驱动编辑修

改

无

不存在存在存在

不能能能

模型修改的难易相当困难，无法根据较为困难，需要掌握方便灵活，不需要程度

实体特征修改，需重整个模型的约束情掌握模型的约束新建模

况

情况，可根据特征类型随时修改

典型软件

AutoCAD R14 AutoCAD MDT UG

图2.1 UG与传统CAD软件对比

从表中可以看到，UG复合建模工具较之纯参数化的系统更灵活和自由，它充

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许在需要的时候随时增加参数，同时传统的产品设计过程能被有效地运用，并在必要时与基于约束的特征建模相结合，在最大程度上满足设计人员的要求。UG复合式建模的一大优点在于过去遗留下来的产品模型数据包括从其它CAD系统中产生的数据能够加以有效利用，而不必象纯参数化系统那样再重新建模。设计人员保存了已有的产品数据，并且在新产品的开发中能够发挥已有设计成果的价值，因而设计效率得到大大的提高[26,27]。

UG软件建模的优点：UG软件具有强大的实体造型功能，UG完全集成了表面和实体建模技术，是一个领先的造型软件，它拥有建立一个零件或表面模型的任何技术，UG能完成任何工业设计，而且任何设计思想都能得到体现，同其它的软件相比，UG具有以下优点：

1. 复杂零件的实体造型和曲面设计能力； 2. 产品装配能力和自顶而下的设计能力； 3. 强大的数控加工能力；

4. 能生成符合国家标注的工程图纸； 5. 能转化引进产品CAD系统资源； 6. 能进行二次开发，完成用户的特殊要求； 7. 能有设计分析加工及管理系统的高度集成设计。

2.2 使用UG/Open API对UG进行二次开发的实现过程

UG 软件提供了CAD/CAE/CAM业界最先进的编程工具集，以满足用户二次开发的需要，这组工具集称之为UG/Open，是一系列UG开发工具的总称，它们随UG一起发布，以开放性架构面向不同的软件平台提供灵活的开发支持[28,29]。UG/Open套件主要由五个开发工具组成，如图2.2所示。利用UG/Open提供的应用程序和开发工具，用户可以在其提供的平台上开发出适合自己需要的CAD产品。本论文的研究过程中，主要用到了UG/OpenAPI，UG/Open MenuScript和UG/Open UIStyler，下面对使用以上技术进行开发过程做更详细介绍。

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UG/OPEN GRIP UG专用图形交互语 UG/OPEN API 应用编程接口 UG/OPEN UG/OPEN＋＋ C++程序接口 UG/OPEN Menu Script 用户菜单定制语言 UG/OPEN UIStyler 用户对话框制作工具

图 2.2 UG/OPEN 二次开发工具集

2.2.1 UG/OPEN GRIP

GRIP (Graphics Interactive Programming)是一种UG专用的图形交互编程语言，开发者可以用GRIP编程的方法自动实现在UG下进行的绝大部分操作，如建立UG模型、查询UG数据库、操纵属性、执行文件管理等。GRIP命令很像英语单词，语法与BASIC和FORTRAN相似，在某些情况下对于一些高级操作，用GRIP编程的方法比用UG交互的方法更有效，在UG交互环境下可以实现的功能用GRIP几乎全都可以实现。UG提供了一个名叫UG Open GRIP的GRIP语言编辑器，用这个工具可以编辑、修改、编译、连接程序[22]。 2.2.2 使用UG/OPEN API二次开发的一般方法

UG /Open API是一个允许程序访问和影响UG对象模型的一系列程序集，此外还提供了编译和连接程序的工具。它使用C语言作为编程语言，几乎能实现UG的

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所有功能如：建立UG模型、查询模型对象、建立并遍历装配体、创建工程图等。每一个UG对象都通过唯一的标识符(tagt )来引用。UG/OpenAPI提供的UG功能都以头文件(*.h)的形式保存在UG安装目录下的UGOPEN目录下，在这些头文件里声明了很多结构(struct)，联合(union)、枚举(enum)等数据类型和函数，以便用户用来定义变量和调用。编写程序时，一定要把用到的数据类型和函数所对应的头文件包含进去。

1. U G /Open API程序的两种运行环境[23]

UG /Open API程序能在两种不同的环境下运行，取决于程序的连接方式。这两种环境是外部环境（External）和内部环境（Internal），外部环境（External）下的程序能在操作系统下运行，脱离于UG界面，内部环境（Internal）的程序只能在UG界面下运行，它们被加载到UG的运行空间中，这种环境下的程序执行代码更小、连接更快。两种环境下程序的一般格式如下: (1) Intemal程序的一般格式：

#in clude//包含UG/Open API公共类型和函数定义 //包含额外的头文件

Void ufusr(char*param, int*r etcod, int parm_len)//程序的入口函数 {

//定义变量

UF_initializes;/ /访问许可 body/ /应用主体 UF_terminates;//返回许可 }

Internal UG /Open API使用ufus:函数(主函数)作为程序运行的开始入口点，执行程序时，UG将程序装入内存并搜索ufusr，程序从这里开始执行，执行完后由一个return语句返回UG。 (2) Extemal程序的一般形式：

#include //包含UG/Open API公共类型和函数定义

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//包含额外的头文件

Int main( int argc,char* *argv)// 程序的入口函数 { /定义变量

UF_initialize();//访问许可 body//应用上体

UF_terminateQ;/ /返回许可

输入main主函数的参数是标准的C参数：argc— 参数的个数，argv— 指向字符串的指针。 2. UG/Open API的建立

建立一个UG/Open API程序有两种方法，一是使用向导(UG/Open App Wizard)，二是手工创建。使用向导简单、快捷，是建立程序的首选。建立程序之前要检查目录$UG_USER_DIR\\Microsoft Visual Studio\\CornmonMSDev98\\Template下是否有UgOpen_v18.awx及UgOpen_v18.hlp两个文件，如果没有，则要从日录$UG_USER DIR\\UGS180\\UGOPEN 下拷贝这两个文件到目录$UG_USER DIR\\Microsoft Visual Studio\\Common\\MSDev98\\Template下，这样，启动VC才会出现UG/Open AppWizard V18向导。下面在Windows 2000, VC++6.0, UG18.0环境下，以一个三点画圆的例子来说明UG/Open API 程序的建立方法。

(1)打开 V C++6.0，选择FileÆNewÆProjects； (2) 选择 UG/ open App Wizard V l 8.0；

(3) 在 Project name文本框中输入工程名(本论文输入“cheqiao”)，并单击OK按钮；

(4) 选择内部环境(internal application)，单击Next按钮；

(5) 单击 Finish按钮，出现New Project Information对话框，单击OK按钮即可。向导自动生成了一个C++语言头文件(*.h)(本论文为expdriver.dll)，一个C++语言源文件(*.cpp)(本论文为expdriver.dll)，其中*.cpp文件已包含了入口函数；

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(6) 在VC菜单中选择ProjectÆSettings；

(7) 在 Project Setings对话框中选择Debug选项卡，在“Executable for debugs ession”栏中输入ugraf.exe的全路径，本论文为DAUGSI80\\UGII\.exe，在“Working directory”栏中输入VC++运行UG的目录，本论文为C:\\WINDOWS\\TEMP，在“Program arguments”栏中输入oglauto，单击OK按钮。

(8) 编制程序 #include< uf_h>

#include //曲线操作类型和函数头文件 #include< uf_part.h>//部件文件操作类型和函数头文件

extern “C” DLL Export void ufsta(char* param, int* returnCode, int rlen) {

char* parte_name=\"circle\";//部件文件名设为circle int units=1;//单位采用米制

tag_t part;//部件文件的标识设为part 定义三点坐标

doublepl [3 ]= {1, 0,0.1;} doublep2[3]={0,1,0.1;} double p3[31={一1,0,0.1;} tag_t circle;//圆的标识设为circle int errorCode=UF_initialize(); if( 0 = errorCode ) (

UF_PART_new(part_name,units,& part); 建部件文件 OF CURVE_create arc_thru_3pts (2,p1,p2,p3,&circle ) /创建圆 erroCode=UF_terminate(); ｝ }

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(9) 在 VC ++6中编译连接后生成动态连接库文件(*.dll)(本论文为expdriver.dll)，打开UG，选择

FileÆExecute UG/OpenÆUser Function，在Execute User Function对话框中选择expdriver.dll文件，单击

OK按钮即可。

2.2.3 使用UG/OPEN Menu Script开发用户菜单

利用 UG /Open Menu Script，可以用ASCI码编辑器来编辑、删除、添加或重排已有的UG菜单条，并可以为自己的应用程序建立专门的菜单条。UG/Open Menu Script可以执行宏文件(Macros)。UG/Open API或者UG/Open GRIP所编写的程序，还可以打开一个UTD文件(User Tool Definition)、打开一个UI对话框(UIStyler)或执行一些操作系统的命令。通过这种方式(下拉式菜单或者弹出式菜单)，可以把用户开发的应用程序无缝的嵌入到UG系统中。UG/Open Menu Script开发用户菜单有两种方式，一种是创建新菜单，并替换UG标准菜单；另一种是对现有的标准UG菜单进行编辑，从而生成自己的菜单。后一种方式简单、实用，能满足大部分用户的要求。菜单脚本文件的扩展名为*.men(文本文件)，可以用记事本创建和编辑。*.men文件中指明了菜单位置、菜单项目名称及所调程序名称等。下面以创建一个调用上述画圆的程序的菜单为例，说明菜单的创建方法。

(1) 用记事本打开UG安装目录下的UGII\env.dat文件，找到#UGII一 USER DIR=${HOME}行，去掉#和${HOME}，在“=”号后输入白己的目录，本论文为D:\\drive，保存后退出此文件。这主要是告诉UG到那里去寻找用户定义的菜单文件。

(2) 在用户目录(本论文为D:\\drive)下新建两个文件夹，取名为startup和application。

(3) 在 startup目录下新建一个文本文件，输入以下内容，其中ACTIONS后面跟的是需要调用的动态连接库文件(本论文为expdriver.dll)。

VERSION 120

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EDIT UG_GATEWAY_MAIN_MENUBAR BEFORE UG_HELP

CASCADE_BUTTON USER_DEFINED_TOOL_BTN LABEL 车桥 END_OF_BEFORE

MENU USER_DEFINED_TOOL_BTN BUTTON EXPDRIVER_BTN LABEL 调入零件 ACTIONS expdriver.dlg END_OF_MENU

（4）把编译连接好的动态连接库文件（本论文中为expdriver.dll）复制粘贴到application目录下。

（5）启动UG，标题为“车桥”的菜单出现在“help”菜单前面，如图3.2所示。单击此下拉菜单，再单击“调入零件”菜单即可执行expdriver.dll文件。 2.2.4 使用UG/OPEN UIStyler创建对话框

UG/Open UIStyler是一个可视化对话框编辑器，它提供了丰富的控件，如静态文本(Label)、整型数值输入框(Integer)、浮点型输入框(Real)、字符串输入框(String)、宽字符串输入框(Wide String)、多行文本框(Multi-line Text)、按钮(Push Button)、复选框(Toggle)、分隔线(Separator)、位图(Bitrnap)、布局按钮(Button Layout)、下拉列表框(Option Menu)、单选按钮(Radio Box)、工具组(Tool Palette)、整型数滑动条(Scale Integer)、实型数滑动条(Scale Real)、单选列表框(Single Selection List)、多选列表框(Mufti-Select List)、单选框(Selection Box)、滚动窗口(Scrolled Window)等，丰富的控件以及自动生成代码的特点为开发者减少了开发时间并能快速原型化，比较容易的构建标准的Motif对话框。UIStyler能与MenuScript兼容，因此可以从MenuScript

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中调用UlStyler，并且UIStyler也可以从UG/Open API中调用。UGIOpen UIStyle是由工具栏(Toolbar),项目浏览器(Object Browser )、资源编辑器(Resource Editor)、对话框编辑器(Design Dialog)这四部分组成的，通过这四部分，开发者可以很容易的编辑出符合用户要求的对话框。在本论文中使用UlStyler的具体步骤如下：

1．设计对话框。从UG主菜单下点击ApplicationÆUser Interface Styler进入对话框开发环境。在这里，用户可以以所见即所得的方式为自己的对话框设计控件，并定义控件的属性和回调函数。对话框设计完后保存，在保存时系统自动生成三个文件：*.dlg、*.emplate、*.h，其中*.dlg文件是UIStyler对话框的界面文件，封装了对话框的图形界面；*._template文件是UIStyler对话框的C语言源文件，所有控件的回调函数都在这个文件夹之中，用户可以在这些回调函数中添加欲执行的功能代码。*.h文件是UlStyler对话框的C语言头文件，对变量及函数进行说明。

2．添加对话框功能代码。修改系统自动生成的*.template.c文件，主要是在各个回调函数中加入用户需要实现的功能代码，添加完了可以和*.h编译连接生成*.dll文件。

3．调用对话框。UIStyler对话框有三种被调方式：CallBack、Menu和User Exit。CallBack指被对话框凋用。即一个对话框调用另一个对话框；Menu指被MenuScript调用：User Exit指被用户接口调用；不同的调用方式具有不同的接口函数，分别为extern int (int *response)、extern void ufsta (char *param, int *retcode, intrlen)和extern void (char *param, int *retcode, int rlen)，这些接口函数在*. template.c文件中都有示例代码，一般不需对它们做改动，但在编译之前要去掉接口函数之前的条件编译代码以使此接口函数有效。

4．显示对话框。将*.dlg文件拷贝到D:\\driver\\application目录下，将*dll文件拷贝到D:\\driver\\startup目录下即可。

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2.3 驱动桥壳参数化建模运行实例

根据软件的总体规划，在驱动桥壳参数设计模块中，对上述的基本设计方法和步骤进行了实现。 2.3.1 用户变量的设置

首先将要编译后的drive文件夹放到工作目录下，例如，将工作机的D盘设为工作盘，则将drive文件夹放到D盘目录下。

设置用户变量：UGII_USER_DIR，其值为：工作目录\\Driver。假如系统工作目录为D:\\ Driver，则设置用户变量的过程为：首先在桌面上右击【我的电脑】，选择【属性】弹出式菜单，在弹出的对话框中选择【高级】选项卡，再点击【环境变量】按钮，在【计算机用户名的用户变量(U)】下面的【新建】按钮上单击（其中的“计算机用户名”表示计算机当前用户名），将会弹出【新建用户变量】的对话框。在变量名(N)右边的编辑框填入：UGII_USER_DIR，在变量值(V)右边的编辑框填入：工作目录\\Driver，现在假设工作目录为D:\\Chassis，则变量值为：D:\\Chassis\\Driver。 2.3.2 程序实现及实例说明

下面我们以一个实例来对软件的具体实现和使用方法进行说明。

在增加了用户变量后，再次启动UG时，在“help”菜单的前面增加了“车桥”菜单和“调入零件”的下拉菜单。如2.3所示：

图 2.3 参数化设计入口菜单

点击“调入零件”菜单，进入驱动桥壳的参数化设计。界面如2.4所示：

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图 2.4 桥壳参数化设计主菜单

为了参数化设计的方便，将驱动桥壳分为五类，分别为3B、5B、8B、11B、15B、和TL，参数化设计界面的上方即为驱动桥壳的基本类型对话框。在选定了驱动桥壳的类型后，界面下方对应该类型驱动桥壳总体设计基本尺寸参数对话框（未注明单位均为mm）。

驱动桥壳总体长度：ARM_LEN；

驱动桥壳中间壳体外圆半径：D_CENTER；驱动桥壳中间孔半径：D_HOLE；驱动桥壳孔直径：H；驱动桥壳厚度：T。

选中各个参数后，在对应参数中输入数值，点击“apply”按钮，然后“ok”就可以生成所需要的驱动桥壳的几何模型。用户可以根据需要改变桥壳的尺寸参数。

例如，当选定模型代号为3B，各参数分别为ARM_LEN＝600；D_CENTER＝

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275；D_HOLE＝208；H＝96；T＝6时，然后“ok”，则自动生成模型如2.5所示：

图 2.5 参数化设计模型

模型建立后，可以自动转化为在PATRAN中可以识别的.x_t的文件格式，直接导入到PATRAN中进行有限元的计算。

2.4. 本章小结

本章中，首先简要介绍了UG软件的技术特点以及UG的主要功能模块与UG二次开发相关技术，主要论述了运用UG/Open GRIP语言、UG/Open API程序、UG/Open Menu Script和UG/Open UIStyler，UIStyler对汽车驱动桥壳参数化建模的开发的实际过程。然后以型号为3B的驱动桥壳为例，介绍了系统的组成及详细的操作过程，最终生成桥壳的模型。

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3. 驱动桥壳断裂问题的有限元计算

有限元分析是最近20年兴起的一种新的数值模拟计算方法，已被广泛应用于解决机械结构、桥梁、建筑、飞机、汽车及船舶等多种实际工程问题。目前，有限元法不仅用作单纯的强度、刚度和振动特性的计算预测，而且已与CAD技术和结构优化设计紧密地结合起来[30]。

结构优化设计理论和方法的发展得益于计算机技术的发展，进而根据工程实际需要开发出专门的有限元分析软件[31]。本文主要介绍MSC公司的Nastran和Patran软件。MSC.Nastran是一个大型、通用的有限元结构分析计算机程序系统，是在美国国家宇航局主办下研制和发展的。它的理论基础是有限元法[32]。

MSC.Nastran是一个运用矩阵结构分析方法求解问题的程序系统，该系统是由一个数据库，一个执行控制系统和若干模块（即实现模块的建立，数据库的管理，输入输出以及方程求解等模块）组成，如图3.1所示。

建立模型的模块功能模块输入/输出模块执行系统数据库（刚度、质量矩阵）

图 3.1 MSC.Nastran组成模块

MSC.Nastran开放式多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化和交互图形界面集于一身，构成一个完整的CAE集成环境。它的后处理器

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MSC.Patran可以帮助产品开发者实现从设计到制造全过程的产品性能仿真，主要特点包括：直接模型访问、智能化模型处理、自动有限元建模、完全的分析集成、结果可视化处理等等。

Patran软件不但自己有很强的建模功能，而且可以直接从各CAD软件中抓取几何模型[33,34]，如：AutoCAD，ProE，Unigranphics，SolidEdged等。在创建分析模型时，还可以根据不通的选项生成多种分析模型供分析软件使用，入Nastran，Dytran，Marc，Fatigue等。

3.1 驱动桥壳的传统理论分析

汽车桥壳是汽车上的主要承载构件之一，由于其形状、受力较为复杂，受力情况与机重、行驶速度、路面条件及作业情况都密切相关，行驶在凹凸路面比在平直路面上车桥受到的载荷大得多，而且为冲击载荷；变速行驶比匀速行驶受到的载荷大得多。车桥承受垂直力、纵向力和横向力的综合作用，其受力特点为[35,36]：

（1）长期处于满载或超载，车桥承受机械重力的作用，产生弯曲变形，引起车桥耐疲劳性降低，致使疲劳断裂；

（2）最大牵引力和紧急制动工况时，由于牵引力和制动惯性力的作用，使车桥产生较大的弯曲、扭转应力，应力的复合作用使车桥变形而断裂；

（3）行驶在凹凸不平的路面工况时，由于路面条件差，凹凸不平产生垂直振动，车桥受到冲击载荷较大，使车桥产生弯曲变形而断裂；

对车桥进行应力计算分析，以保证其有足够的强度和刚度，在不同工况下计算其受力如3.2所示：

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图 3.2车桥受力示意图

3.1.1最大牵引力工况：受力分析如图１所示。

1) 又一侧车轮反作用力N1作用在垂直平面内的弯矩Mw1：

Mw1=N1L （3.1）

2) 牵引力Pk=Pkmax是的水平弯矩MW2：

Mw2=PkmaxL=NφL （3.2）

式中：φ－附着系数。其合成弯矩Mw为：

222Mw=Mw1+Mw2=N1L1+φ， (3.3)

弯曲应力为：

σ=

MwN1L=1+φ2，（3.4） WW式中：W－桥壳抗弯断面模数。

3) 车桥承受牵引力Pk时引起的反作用力N1产生的扭矩Mn：

Mn=N1φrd （3.5）

式中rd－车轮动力半径，

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rd=

（3.6） Pk−Pf

式中：Pk－牵引力；

Pf－行使阻力；

ML－作用在车轮上扭矩。

其扭矩应力τ为：

τ=

式中：Wn－桥壳扭转面模数。

（3.7） Wn

因此桥壳在最大牵引力Pkmax的工况下受到的弯扭复合应力σa为：

σa=σ2+3τ2 （3.8）

3.1.2 紧急制动工况：

1) 紧急制动时，由地面对车轮的垂直反力N2（方向于图1中N1的方向一致）作用

于桥壳上的垂直平面弯矩Mw1为：

Mw1=

KGL

， (3.9) 2

式中：K－桥壳上的重量分配系数；

G－静载满载时桥壳受到的载荷。

2) 紧急制动时作用于桥壳上的水平平面弯矩Mw2为：

Mw2=

KGφL

， (3.10) 2

其合成弯矩Mw为：

'22 Mw=Mw1+Mw2=

KGL1+φ2， (3.11) 2

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'MwKGLσ==1+φ2 (3.12)

2WW'

合成弯曲应力σ'为：

： 3) 急制动时在制动惯性力的作用下桥壳受到的扭矩Mn

=Mn

KGφrd

(3.13) 2

扭应力τ'：

'MnKGφrd

τ== (3.14)

Wn2Wn'

则紧急制动工况下复合应力σb=σ'+3τ' 3.1.3 凸凹不平路面行驶工况

在不平路面行驶时动载荷引起的垂直反力N3（方向与图一中的反力N1一致）达到最大时，在该工况下桥壳只受到弯曲应力σc。垂直反力N3由下式给出：

22K'GN3=， (3.15)

式中：K'－动载荷系数，一般K'＝２～３。产生的弯矩Mw3为：

Mw3

则弯曲应力σc为：

K'GL

， (3.16) =2

Mw3K'GLσc== (3.17)

2WW

以上三种工况下取最大应力：

σmax=max[σa,σb,σc] (3.18)

应使σmax=[σ]。

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经计算，最大应力在Ｉ－Ｉ位置，即断裂面，如图3.3所示：

图 3.3 断裂位置示意图

根据传统汽车设计理论，驱动桥壳的常规设计方法是将桥壳看成一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许用的工作应力，而这个安全系数主要靠设计经验选取，带有盲目性。在实际设计中，常常会使产品过于厚重，浪费材料和能源。

3.2 建立有限元计算模型

有限元模型作为原结构的离散化模型，其好坏直接关系到求解的正确性和精度，所以建立有限元模型是整个分析过程中难度最大、技巧最多的一个环节。桥壳的实际结构较为复杂，先采用Unigranphics的造型软件构造几何模型，然后通过与MSC／PATRAN的接口程序调入有限元前后处理软件PATRAN中，经过编辑、修改后再生成有限元模型。其流程如图3.4所示。

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UG软件造型桥壳的几何模型软件接口桥壳的有限元模型求解于结果分析载荷边界条件材料特性

图 3.4 有限元分析流程图

几何模型是产品的设计构图，必须详尽描述产品的每一细节，而有限元模型是原结构的近似模型，它只需近似反映结构的力学特性。在建立桥壳的有限元模型时即对其进行了合理简化。桥壳的有限元模型包括桥壳中段、固定环及轴头等。由于钢板弹簧座对桥壳有较大的影响，因此钢板弹簧座也作为模型的一部分。 3.2.1 网格划分

CAD技术的进步使以实体单元模拟桥壳本体成为容易的事情(在模型中略去加油孔、放油孔等)。由于计算结果的质量决定于模型的质量，有限元建模的很大程度上更象一种艺术，而不是一门科学。对许多初次使用有限元进行计算分析的人来说，一个在建立模型过程中经常易犯的共性错误是：简单模拟几何形状而不是兼顾实际结构的几何形状和结构行为。为使模型更加有效，将在下述几个方面提供建议：

1. 选择合适的单元 2. 网格密度 3. 网格过渡 4. 网格连接

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对有限元模型来说，没有更好的手段可替代实践经验。在对软件所提供的某种能力进行摸索和尝试过程中，最好首次使用一个小型的模型，而不是直接使用最终模型。

1. 选择合适的单元

MSC/NASTRAN中具有大量类型的结构单元可供选择。在许多情况下，总有集中单元都适合于对同样的结构进行模拟。选择单元的标准可能包括单元的能力（如是否支持各向异性材料）、单元的计算时间要求（基本上是一个单元的自由度越多，所需时间越多）、以及单元的计算精度。

在很多情况下，任何单元最适合某一个特定的分析目的并不明显，对单元类型和数量的选择首先取决于你认为在模型中什么效果最为重要，其次决定于你认为多少计算时间和多大程度的计算精度是可以接受的。

通过上面的介绍，可以知道非常重要的一点是：在建立有限元模型前，应对结构将如何相应具有一个比较充分的认识，获得这种认识的最好办法经常使用类似结构进行试验，换句话说，了解载荷的传递路径对选取合适的单元是十分重要的。此外，手工计算经常可以对应力状态提供一个粗略的估计。如果对结构的响应一无所知或知之甚少，可能会因此在输入数据的错误或不正确假设而产生错误的结果。

在使用不熟悉的单元前，要经常用小型模型进行试验。使用小型模型比使用大型的产品模型耗时少得多，并且会使你对某种单元的优缺点获得更深入的认识。

避免使用过时的单元，只有当某些单元的使用性已被其它单元所代替，且新单元经过长时间的使用已证实其可靠性，那些旧单元才被称为过时单元。大多数情况下，在MSC/NATRAN中保留过时单元的目的在于保证高级版本对低级版本的兼容性。在高级版本的文献中不再包括过时单元。

实际驱动车桥有大量的实体组成，用体单元最适合于对其进行模拟，下面讨论体单元。

四面体单元（Tet）：四面体单元适用于实体网格的划分，其有4节点、5节点、

10节点、11节点、14节点、15节点、16节点和40节点等形式。5节点的四面体单

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元其第5个节点位于四面体的中心部位；10节点的四面体单元其每条边上有3个节点；11节点的四面体单元除了每条边上有3个节点之外，其中心位置也有一个节点；

14节点的四面体单元每条边上有3个节点，同时每个面的中心位置也有一个节点；15节点四面体单元的节点分布与14节点的单元类似，只是在单元体的中心位置有个节点；16节点单元的每条边上有4个节点；40节点四面体单元节点的分布比较复杂，其每个面上节点的分布类似于Tri10，单元体的内部有11个节点。

五面体单元（Wedge）：五面体单元也就是楔形单元，其有6节点、7节点、15节点、16节点、20节点、21节点、24节点和52节点等类型。7节点的五面体单元内部有一个节点；15节点的五面体单元每条边上有3个节点；16节点的五面体单元除了每条边上有3个节点之外，内部还有一个节点；20节点五面体单元的节点分布是这样的，在两个三角形表面之间插入一个面，这个面上节点的分布类似于Tri6，而两个三角形表面上节点的分布类似于Tri7；21节点五面体单元节点的分布类似于

Wedge20，只是单元中心多了一个节点；52节点五面体单元节点的分布是这样的，在两个三角形表面之间插入两个三角形平面，总共四个三角形平面，每个三角形平面上节点的分布类似于Tri13

六面体单元（Hex）：六面体单元相对于四面体和五面体单元来说，适用性稍差，但其精度最高，适用于较规则实体的网格划分。六面体单元有8节点、9节点、20节点、21节点、26节点、27节点、32节点和64节点等类型。9节点的六面体单元是在单元体的中心位置有一个节点；20节点的六面体单元是每条边上有3个节点；

21节点的六面体单元体比20节点的单元体在中心位置多了一个节点；26节点的六面体单元是每条边上有3个节点，同时每个表面的中心位置还有一个节点；27节点的六面体单元是在单元体中心位置比26节点的单元多了一个节点；32节点的六面体单元是在每条边上有4个节点；64节点的六面体单元是在两个相对四边形表面之间插入两个平面，这样就可得到准平行的4个四边形，这4个四边形平面中节点的分布类似于Quad16。

2. 网格密度

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网格密度与计算所需时间和计算的准确性间有着直接的关系，因此确定网格密度是有限元建模中的一个重要方面。在很多情况下，出于拓扑方面的考虑要使用尽可能少的单元，例如：在一个空间框架中使用一个单元，或者对一块小面使用一个单元。过去当求解问题的规模受到严重限制时，将一个模型简化为两个或更多框架结构或其它类似单元的现象非常普遍。随着计算机相关技术的日趋成熟，目前有限元建模的趋势是在有限元模型中准确体现各组成部分。

如果拓扑方面的要求易于满足，问题就转变为应对模型的主要部分进行什么样的网格密度划分。一般来说，随着网格密度的增加，计算的准确程度也会随之增加。但确定合适的网格密度要考虑多方面的因素。其中包括：应变梯度、载荷类型、边界条件、使用的单元类型、单元形状、以及预期的计算准确程度。

常规情况下，在应力变化最大的区域相邻节点间的距离应最小。通过大量的计算比较发现：在其它条件相同的条件下，采用合适的变间距网格的计算结果准确；网格越细密，计算越准确；采用相同形状的高阶单元网格的计算结果要比低阶单元网格计算结果准确。

网格觅得的去定取决于多方面因素，其中之一是对付出的计算成本和得到的计算准确程度间的权衡。计算成本随着自由度的增加而增加。对计算成本的定义随时间而改变。过去计算成本基本上于计算时间相联系，随着计算机软硬件的不断改善，目前要将更多的时间用于对计算结果的分析处理。对计算偏差的微小降低往往需要大幅度地增加计算模型的自由度。

如果能够预见到计算结果的大致情况，可有意识地变间距分布节点。然而，很多情况下无法做到这一点。如果想对计算结果进行更充分的判断，并且资源（时间和金钱）充许，完全可以对某一特定问题设定偏差范围，通过对多个网格形式的计算分析来观测结果的收敛性。

在传统有限元分析中，如果单元数量增加，计算准确性也会增加。求解的准确性可通过各种指标量化地测量，如简单的算术绝对值或者平方根法。目的是通过这些误差分析法对实际结构进行准确的预测。通过增加或减少单元数量以改善分析结

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果的方法称为h－调整法。在该方法中，每个单元都通过某一个预定阶数的函数关系确定。在h－调整法中，多项式的次数不会改变。与该方法相联系的单元称为h－单元。在有限元分析中所采用的多数形式单元都属于h－单元。

另外一种对同一问题改善后续有限元分析的方法是：在保持最初单元大小和有限元网格的同时，增加代表每个单元的多项式次数。对插值次数的增加是程序内部执行的，一旦达到预定的误差水平，求解自动停止。这种方法称为p－调整法。与这种方法相联系的单元称为p－单元。

3. 网格过渡

网格过渡可以是一个复杂的问题。但也可以简单地用于在某个特定区域优化网格，连接不同形式的单元，或者为需要模拟的结构提供过渡。下面是对网格过渡的两点建议：

1. 永远不用在感兴趣的区域或应力变化巨大的区域使用网格过渡； 2. 网格过渡远离感兴趣区域。

由于不通类型的单元之间难以完全相容，在不通类型单元间的任何过渡都可能造成局部应力异常。一般情况下，这些应力异常现象限于局部，如果移走过渡在很大程度上应力异常现象会消失。然而当过渡发生在感兴趣的区域时，计算结果会产生问题。在这种情况下，局部应力升高（或降低）是由网格过渡产生的；

稀疏网格和细密网格间的过渡并不简单，一个普通的方法是象图5-9那样使用一条由三角形单元构成的过渡带。另外一种网格过渡法是使用样条（spline）单元。在MSC/NASTRAN中，RSPLINE单元是用来连接N个端点的弹性插值单元。由通过过渡节点的弹性梁的等式关系，插值得到这些过渡节点的位移。对位移和转矩样条单元使用线性插值法，对转动采用4次插值，对位移采用3次插值。

4. 网格连接

在汽车驱动车桥的有限元建模和计算分析中，始终存在着一个难点：对各单独零件部件有限元网格的连接问题，也就是对包括驱动桥壳零件间的不通连接方式，如焊接方式、螺栓连接方式等的模拟问题。说它难，主要体现在两个方面：一方面，

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上述连接方式在有限元模型中只能体现为节点和节点的连接关系，由于有限元网格多通过应用软件自动划分，难以保证对应于实际连接位置处存在合适的节点，从而导致有限元模型中的连接位置和连接数量难以与两部分间采用下面三种连接方式；共用节点、过渡单元（即采用本文5.2.3中网格过渡的办法）或采用应用软件提供的特定方式。

上述三种连接方式各有其优缺点，在汽车驱动桥壳的有限元建模中都得到了不通程度的使用。其中的一个重要组成方面是应用MSC/NASTRAN软件所特有的

MPC（multiple point constraint，多点约束）。MPC是一种以节点间位移函数关系定义的约束方式，即一或多个节点的自由度（称从动自由度）响应是另外一个或多个节点自由度（称为主动自由度）响应的函数。以显式MPC为例，其物理意义如下：

U0=C1U1+C2U2+C3U3+...+CnUn+C0 (3.19)

式中U0表示自由度，Ui表示主动自由度，Ci是常数。等号左边的是从动项，等号右边的是主动项。C0是一个特殊的主动项，称为常项。其中Ci所代表的各常数有软件使用者自主确定。

以一个显式MPC举例：

Ux(Node4)=0.5*Ux(Node5)−0.4*Ur(Node10)+1.0 (3.20)

上式表明节点4在x方向的位移等于：节点5在x方向上位移的一半，减去节点10在y方向位移的0.4倍，再加1.0。例子中共有4项，两个主动项，和一个常项。

由上述内容可知，MSC/NASTRAN软件多特有的力学连接方式是以位移函数关系来定义的，并且通过位移传递关系到了响应的力学传递关系。如果能够通过充分的试验对比和修正，应用上述显式MPC，应该能够比较准确地确定各有关常数Ci，从而对有关连接方式（主要是焊接关系）进行比较逼真的模拟。但目前有关试验条件和试验结果尚不具备，因此出于操作方便考虑，在实际有限元模型过程中主要采用刚性（Rigid）的MPC，其物理意义相当于，在加载前后，在需要连接的两个节

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点之间以没有形状改变的刚性杆进行连接模拟，即相互连接的两个节点间在加载变形前后没有相对应的位置变化。图3.5为驱动后桥壳的有限元模型，共有约39360个单元，78179个节点；网格为10节点Tet单元。

图 3.5 驱动桥壳有限元模型

3.2.2 加载和边界条件

MSC/PATRAN提供了更加方便的施加载荷和边界条件的方法。结构分析中可以施加的载荷有加速度、重力、角速度、角加速度、压力、力、螺栓力、预应力、转矩和位移；热分析中可以施加的载荷有传导系数、温度、热流密度和内热源强度等。下面简单介绍将要用到的几个载荷。

（1）力(Force Load)：力可以矢量(大小和箭头)或分量(X, Y, Z三个分量)的形式施加于面、线和点。将力施加于一平面或曲面后，力将平均分布于面后。如果面的几何形状发生变化，则力的分布大小也发生变化，但方向不变。也可以将一个力同时加于多个表面，力将按比例在多个面上分配。

（2）压力(Press Load)：将单位面积的力施加于表面(平面或曲面)。正值代表压力垂直于材料向内。若施加于多个表面，每个表面都会得到相同的压力值；若表面形状变化，则压力保持不变，总的合力变化。

（3）转矩(Moment)：将一关于某轴线的转矩施加于面上。可以矢量方式表示，也可以圆形箭头加数值的方式表示。当采用后一种方式时，转矩方向根据右手规则

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确定。一个转矩施加于多个面，则按比例分配：面的形状发生变化，总的载荷不变，单位载荷变化。

（5）约束(Supports )：静力分析中必须有相应的约束，常用的有固定约束(fixed)和给定约束(given)。固定约束限制对象各个方向的运动和变形。给定约束可以是零，也可以非零。若某方向给定约束非零，表明对象在该方向保持形状不变，但会在给定方向相对原位置发生移动，这将导致整个模型的变形。若某方向给定约束为零，对象在该方向不能运动和变形;三个方向均为零，等同于固定约束。本文一共计算了六种车桥在三种工况下的应力，择受力较大的桥进行有限元计算。

边界条件：桥在安装块处与车架刚性连接，取安装块的外表面作为固定面。将载荷按照上面介绍的方法加在相应的部位，得到加载和施加边界条件后的计算模型，见图3.6所示：

图 3.6 驱动桥壳加载图

3.3 驱动桥壳应力的计算

针对全顺双胎15B后桥，基于静态下的后桥受力情况，分别对车桥本体厚度在

6mm和6.5mm的情况下进行了应力分析，其中平衡杆支架垫板厚度为5mm。在应力分析中，采用了如图3.7所示的几何模型。

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图 3.7应力分析几何模型

在几何模型的基础上，在应力分析中采用10节点四面体单元进行网格划分，精度为0.04，网格划分操作完成后有限元模型如图3.8所示。

图 3.8应力分析有限元模型

在有限元网格划分中，考虑到焊接对网格划分的影响，在无法确知焊缝金属材料属性的情况下，在有限元网格划分中利用多点约束（MPC）方法中的刚性单元来模拟焊缝，其效果如图3.9所示。对于弹簧支架处的螺栓连接，也采用了同样的处理方法，如图3.10所示。

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图 3.9网格划分中焊缝的处理

图 3.10网格划分中螺栓连接的处理

对于15B系列后桥，根据资料知后桥板簧座载荷为1350Kg，即13500N，在分根据力臂长度将其用一个1081N析中用分布力等效；由于后桥受到1200NM的扭据，的力等效至板簧座；考虑到后桥锥齿轮的重量，在分析中用200Kg的力模拟。此外，考虑到车桥在横向扭转时平衡杆的受力是导致断裂的主要原因，针对这种情况对

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15B车桥进行了分析，在分析中后桥约束和受力如图5所示。

在分析中，使用钢材16Mn，极限屈服应力355MPa，抗拉强度510MPa，杨氏模量2.1E5，泊松比0.3，密度7.5E3。

图 3.11约束和受力情况

依据以上的约束和受力模型（如图3.11所示），分别得到15B车桥在本体厚度为6mm和6.5mm时的应力分布云图，分别如图3.12和图3.13所示。

图 3.12车桥本体厚度为6mm时应力云图

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图3.13车桥本体厚度为6.5mm时应力云图

从图中可以看出，最大应力区域均在轴头区域。但是从最大应力值来看，本体厚度为6mm时，最大峰值应力区域为344MPa；本体厚度为6.5mm时，最大峰值应力区域为314MPa。与材料许用屈服极限相比，均在许用应力范围内。

针对断裂位置处，本体厚度为6mm的车桥在此处的应力分布如图3.14所示。从图中可以看出，在断裂区域，整体应力水平为157MPa；但是在紧靠平衡杆支架垫板焊缝附近的区域，存在一个应力值达196MPa的高应力集中区域。这样，在这种高应力集中区域作用下，由于车桥在长期运行中积累的疲劳，容易造成焊缝处产

生疲劳裂纹进而开裂。在实际运行中，也正是在这些部位产生裂纹，如图3.15所示。

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图 3.14本体厚度6mm桥壳断裂区域应力云图

图 3.15实际断裂部位

与6mm本体厚度车桥相比，在对应位置上，本体厚度为6.5mm时，其应力水平如图3.16所示。从图中我们可以看出，其总体应力水平为167MPa，分布非常均匀，在紧靠平衡杆支架垫板焊缝附近的区域已不存在应力集中现象。这样，就可以避免由于高应力集中而带来的车桥开裂现象。

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图 3.16本体厚度6.5mm桥壳断裂对应区域应力云图

从以上分析中，我们可以看出：当本体厚度由6mm增至6.5mm时，本体厚度的增加减弱了平衡杆扭转对支架附近区域的影响，消除了本体厚度为6mm时在托架焊缝附近的高应力集中，从而可以避免车桥在运行中由于疲劳裂纹而产生的断裂现象。

3.4 驱动桥壳应力分析结论及建议

通过以上分析，可以得出以下结论：

从应力分布云图来看，桥壳弹簧支座与纵向推力杆支座之间的应力比其他部位要高，因此，该处是应力较集中的部位，这与试验过程中在该处断裂的结果相吻合，说明本文所建立的有限元模型是正确的。

为了改变桥壳中的应力集中现象，可以适当增加弹簧座垫板的厚度，并将弹簧座垫板向圆弧方向延伸。这样可以减小应力集中现象，并降低总体的应力水平。

在不改变桥壳冲压工艺和材料的情况下，采用改变桥壳受力点的方法，即分别移动弹簧支座与纵向推力杆支座位置，使两者位置靠近，这样桥壳最大应力将大大低于材料的屈服应力。

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4. 汽车驱动桥壳CAE软件接口的设计

4.1 软件的结构和用途

4.1.1 软件的基本构成

系统由Chassis、SQL Server 2000、MSC.Patran 2005、MSC.Nastran2005和UG_NX

3.0组成。Chassis用来实现桥壳设计方案管理、桥壳及焊缝材料管理、桥壳参数化设计和用户界面等功能。SQL Server用来实现有限元模型和数据的管理。MSC.Patran用来实现有限元分析的前处理和后处理过程。MSC.Nastran用来实现有限元分析的求解过程。

4.1.2 软件的基本功能

设计方案管理功能：根据用户设计操作，将不同的设计方案保存管理，并可以对已经完成的设计方案进行维护和变更。

设计原型扩充功能：对于本软件中所包含的六种设计原型之外的全新设计原型，可以通过导入任意UG三维模型进行分析。

材料管理功能：对不同的桥壳本体材料和焊缝材料进行管理和维护，既可以创建新的桥壳本体材料或者焊缝材料，也可以从中选择需要的材料。

有限元模型创建功能：根据导入的不同桥壳本体的三维几何模型，根据需要创建不同网格精度的有限元模型。

应力计算功能：根据桥壳本体的特定受力情况，通过对MSC.Patran和

MSC.Nastran进行二次开发，准确、可靠的计算分析桥壳本体的应力分布情况。

虚拟场景功能：采用OpenGL和VRML技术，能够从不同视角观察桥壳的应力

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分布情况，为设计提供依据和参考。

启动其他软件：启动在设计和应力计算中使用的UG_NX 3.0、MSC.Patran和

MSC.Nastran等软件。 4.1.3 软件的分析流程

模板库维护

原型维护（包括各个约束面，加载面和弹簧加载面积）材料库维护（包括材料的各种属性）方案库维护（新建，修改和删除方案）导入UG图形文件启动IE浏览虚拟场景文件启动PATRAN，进行网格划分，加载和分析等操作输出结果图 4.1 软件分析流程图

4.2 软件较传统方法的优点

4.2.1 专用性和专业性

本软件针对江西江铃底盘有限公司的六大系列桥壳进行设计，克服了通用CAE

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分析软件MSC.Patran和MSC.Nastran专用性不强的缺点。利用SQL Sever数据库管理技术和Chassis软件，使得桥壳有限元应力分析能够快速为技术人员所掌握，具有很强的专用性和专业性。 4.2.2 准确、直观的计算结果

本软件利用MSC.Patran强大的前处理和后处理技术，结合MSC.Nastran优秀的

有限元求解算法，计算结果准确、可靠。在此基础上，通过使用OpenGL技术和VRML（虚拟场景）技术，直观明了的反映出有限元应力分析结果，便于技术人员分析设计产品的性能。

4.3 PATRAN与PCL语言的功能特点

Patran 运行时，所有的操作都会记录在会话文件( session file, .ses 文件) 中，系统默认为pantran.ses.01每次启动时版本编号自动递增。也可以将一段时间的操作记录在某个指定的会话文件中。会话文件中记录的操作可以通过回放的形式重做，里面也可以嵌入变量、函数定义等PCL 程序段，会话文件的这个功能为开发PCL 程序提供了方便，通过修改会话文件使建模过程程序化，工作效率能够得到较大的提高。此外，日志文件(journal file, .jou 文件) 中会保存整个模型数据库db文件的建模过程，利用它也可以重建模型数据库[48]。

PCL (patran command language) 语言的语法类似C 语言，它提供一般高级语言所有的大部分数据类型。PCL命令语言是集成于MSC.Patran中的一个高级化、模块化结构的全功能计算机编程语言和用户自定义工具，可以让用户在MSC.Patran软件系统中集成自编开发的分析程序或特定的图形界面。为了利用MSC.Patran 的前后处理功能，MSC提供了一系列的PCL 函数，用来从MSC. Patran 的数据库中读取数据并生成计算时所需的数据输入文件，以及将结果文件的数据写入

MSC.Patran 的数据库中，供MSC.Patran 进行前后处理。开发用户界面的目的是为

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了将这些自编译的函数集中起来，通过直观的图形界面进行交互，方便使用[5]。

从功能上说，PCL 语言可以实现一般高级语言所能实现的大部分功能，同时它还提供与Fortran和C的访问接口；另一方面，也由于PCL 语言与MSC.Patran 的紧密关系，应用PCL 语言作为MSC.Patran 的开发工具是必然的选择。应用PCL可以开发出界面漂亮、功能强大的应用程序。现在，几乎所有的分析仿真软件都采用PCL 语言作为工具，建立了与Patran的集成关系，有的也直接将Patran作为分析系统的前后处理器[41~43]。

4.4 二次开发接口实现过程

对于某一类型车桥，一个模型的建模过程可能都要用到几千条PCL语句，如果整个建模过程都通过手工书写代码形式进行，是一项非常繁琐费力的工作，容易出错。Patran的建模过程实际上是一组命令的执行过程，会话文件中就保存了这些命令。因此，可以将PCL语言与会话文件结合起来。为了实现参数化，会话文件的编写采用Patran自动生成和手工编写相结合的方式进行。首先手工在Patran中建立模型，然后对保存下来的会话文件做必要的修改，在会话文件中增加变量声明，必要的数据用变量替换，通过调用会话文件实现参数化建模，解决了建模中的重复操作。下面以软件中“网格划分”功能按钮对应的部分源代码为例说明接口的实现方法和过程。

在采用通用软件如MSC.Patran进行网格划分时，需要确定网格类型、大小，划分方法等一系列参数，使用过程中有许多技巧和经验，一般需要在实际工程经过长期积累。由于本软件的针对性，很多工作由程序在后台运行，在模型成功导入后，用户只需要点击“网格划分”出现如图4.2所示对话框，并确定网格精度后单击“开始划分网格”按钮，系统将对导入的桥壳本体几何模型进行网格划分创建有限元模型。

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图 4.2图2 网格划分对话框

网格划分的部分源代码如下：

extern CString m_workdir; extern CString m_CurProj;

CString m_path=m_workdir+\"\\\\project\\\\\"+m_CurProj+\"\\\\\";

DeleteFile(m_path+\"patran.ses.01\"); //删除自动生成的.ses.01文件

m_filename=\"开始划分网格\";

HANDLE hfile=CreateFile(…); //创建.ses文件 CloseHandle(hfile);

FILE* fh=fopen(m_path+m_filename+_T(\".ses\"),\"w+t\"); CString tmp;

tmp=\"uil_file_open.go(\\\"\"+m_path+m_CurProj+\".db\\\") \\n\";

fwrite(tmp.GetBuffer(tmp.GetLength()),sizeof(char),tmp.GetLength(),fh); tmp=\"ui_exec_function( \\\"mesh_seed_display_mgr\\\fwrite(tmp.GetBuffer(tmp.GetLength()),sizeof(char),tmp.GetLength(),fh); tmp.Format(\"fem_create_mesh_sol_5(…) \\n\ //进行网格划分 fwrite(tmp.GetBuffer(tmp.GetLength()),sizeof(char),tmp.GetLength(),fh); tmp=\"uil_file_close.goquit()\\n\";

fwrite(tmp.GetBuffer(tmp.GetLength()),sizeof(char),tmp.GetLength(),fh);

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fclose(fh);

ShellExecute(NULL,\"OPEN\开始划分网格.ses -sfr patran.ses -hl 500 -b -ans yes\

选择【输入载荷大小】菜单项，系统将弹出如图4.3所示的窗口。在该窗口中可以输入各种载荷参数值，注意两种载荷的参数都要输入；输入后单击【保存】按钮，系统将输入的载荷参数保存在数据库中，并提示数据保存成功。

图 4.3 载荷输入菜单

输入载荷大小并加载的部分源代码如下：

extern CMyprojectDoc *m_G_pDoc; extern CString m_CurProj;

m_pModel=m_G_pDoc->m_set_Model; Pressure=m_LStringForce/(m_StringArea*2); extern CString m_workdir; extern CString m_CurProj;

CString m_path=m_workdir+\"\\\\project\\\\\"+m_CurProj+\"\\\\\"; DeleteFile(m_path+\"patran.ses.01\"); CString m_filename;

m_filename=\"施加约束和静载荷\";

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HANDLE

hfile=CreateFile(m_path+m_filename+_T(\".ses\"),GENERIC_WRITE,0,NULL, CREATE_ALWAYS,FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,NULL); 创建单元属性的部分源代码如下：

CDlg_Create_Material::CDlg_Create_Material(CWnd* pParent /*=NULL*/) CDialog(CDlg_Create_Material::IDD, pParent) extern CMyprojectDoc *m_G_pDoc; extern CString m_CurProj;

m_pset=m_G_pDoc->m_set_Material;

在所有必要步骤都完成的情况下，系统将会对有限元模型进行分析。有限元分析的部分源代码如下：

hfile=CreateFile(m_path+\"\\\\\"+m_filename+_T(\".ses\"),GENERIC_WRITE,0,NULL, CREATE_ALWAYS,FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,NULL); FILE* fh=fopen(m_path+\"\\\\\"+m_filename+_T(\".ses\"),\"w+t\"); CString tmp;

tmp=\"uil_file_open.go(\\\"\"+m_path+m_CurProj+\".db\\\") \\n\";

fwrite(tmp.GetBuffer(tmp.GetLength()),sizeof(char),tmp.GetLength(),fh);

4.5 PCL应用开发实例

车桥总成由车桥主体、弹簧板、平衡架、轴端、法兰盘和加强垫片等零件组成。其中车桥主体厚度、长度、直径以及加强垫片厚度、弹簧板中心距等参数根据工程实际情况需要进行调整，而不同尺寸参数对应的加载应力情况不同，这种组合需要建立有限元模型有数十种之多。因此，参数变化后进行工程分析时的建模工作量很大。针对该问题，作者利用前面介绍的接口方法，开发了车桥CAE分析系统，该系统主要由以下模块组成：参数化建模并自动生成几何模型（在UG中完成）、车桥工程分析、显示分析结果等。

图4.4是软件主界面。在该界面下，屏幕的上方是菜单栏和工具条，左面是所

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有车桥设计方案的树形列表。在左边的树形列表中给出了方案的主要构成，包括：方案名称、方案描述、设计原型和所用材料的名称。如果在树形列表中选中一个设计方案成为当前方案，则当前方案的名称会出现在屏幕左上角的窗口标题栏中显示。工具条是由最常使用的一些功能构成，按照使用的频率依次排列。

图 4.4软件主界面

下面介绍该软件在工程实际中对车桥进行分析的过程和结果。使用本软件进行车桥分析的流程为：首先生成几何模型，此时软件会自动调用UG进行参数化设计，在界面上输入相应参数尺寸就可以生成需要的几何模型，同时将模型转换成Patran可以识别的.x_t文件格式保存；然后，导入建立的几何模型、网格划分、模型材料属性的确定、几何模型的约束和加载；最后对模型进行分析生成结果视图。如选择界面上的“网格划分”可以弹出如图4.2所示的对话框；选择网格划分中的“生成视图”可以显示建立的有限元模型。图4.5是程序运行后某车桥的有限元模型图，图4.6是对应该几何模型的应力分布云图。

从图中可以看出，由程序根据参数建立起来的有限元模型网格质量比较好。桥壳在实际载荷工况的作用下，总体结构的应力水平不高，但在车桥的圆弧和轴端区

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域应力大，应力变形的分布规律合理，与工程实际中车桥发生断裂的位置相吻合，找出了该类型车桥的薄弱部位；在弹簧板处加了加强垫片后应力情况得到较好的改善，这些对于实际工程改进工作和优化设计起到了很好的指导作用。

图4.5有限元网格

图 4.6应力分布云图

应用PCL语言结合Patran会话文件，可以实现VC＋＋与Patran之间的无缝连接。利用这个接口实现的汽车车桥CAE软件系统，一方面可以减少建模与分析过程中的重复劳动，提高工作效率，另一方面，用户有了更多的时间用于建模，可以更准确地模拟实际结构。同时，此软件是一个开放系统，可以在现有的数据库的基

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础上进行扩展，处理更多类型的车桥。

4.6 本章小结

本章中，将驱动桥壳在UG中的参数化建模、网格在PATRAN中的智能划分、以及动态加载和分析等有机结合起来，开发完成了汽车驱动桥壳CAE分析系统，在此系统中，可以对不同类型的桥壳进行建模分析，得到不同尺寸桥壳的应力分布情况，直观明了的反映出有限元应力分析结果，便于技术人员分析设计产品的性能。

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5. 全文总结与展望

5.1 全文的总结

本文的研究工作属于江铃汽车底盘股份有限公司“汽车驱动桥壳CAE软件设计”项目，主要是针对一种驱动桥壳的异常断裂问题，在理论、三维建模、CAE分析、UG与PATRAN的二次开发等方面进行了深入的研究，主要工作与成果如下：

（1）在UG中建立驱动桥壳的参数化模型，利用Visual C++开发了参数化建模的用户界面和接口，使用户可以根据工程实际改变桥壳的相关尺寸参数，快速准确的建立桥壳的几何模型。

（2）详细推导了桥壳的受力公式，并选择最大牵引力工况、紧急制动工况、凸凹不平路面工况等典型工况进行计算，获得了有限元计算的载荷条件；

（3）建立了所研究桥壳的有限元模型，用MSC/PATRAN对驱动桥壳进行有限元计算和分析。结果表明，在破坏处应力最大，与实际情况相吻合。

（4）在UG参数化建模和MSC有限元分析的基础上，利用PCL语言对MSC进行二次开发，完成了“汽车驱动桥壳CAE软件分析系统” 。在此系统中，设计人员可以根据工程实际，完成从驱动桥壳参数化的三维几何建模、CAE软件分析到结果察看等整个过程，可对产品的结构在CAE分析结果的指导下进行改进优化。

5.2 课题展望

本课题的成果对江西江铃汽车底盘股份有限公司提高产品品质及运行成本的降低等方面都有着积极作用。但是作者在本文的研究过程中深深感到在下述一些方面还需要进行更深入的研究与探索。

（1）建立模型的过程中，对驱动桥壳的结构进行了一定程度的简化，这种简化对于计算结果的准确性还是有一定的影响。例如未能模拟焊接处的真实情况，这必将影响该处的计算结果；

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（2）没有对断口进行金相组织分析，也没有计算桥的疲劳强度，仅由静强度来推断破坏原因是不够的；

（3）对有限元模型的载荷与边界条件需做进一步的研究。

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致谢

在本文即将完稿之际，向曾经给我帮助鼓励的老师、同学及亲人给予深深的谢意。

在瑜园求学的近三年中，导师黄其柏教授无论是在学习上还是在生活中，都给予了深深的关怀，在论文即将完成之际，谨向我敬爱的导师致以真挚的谢意。导师渊博的知识、严谨的治学态度、高尚的品质和诲人不倦的学者风度使我终身难忘。

感谢学长赵志高博士、朱从云博士，周明刚博士生、王勇博士生、乔宇峰博士生、胡溧博士生、何雪松博士生、袁骥轩博士生等给我的帮助。同窗胡浩、宋朝、柳占新、张永波、许智生、付强等与作者结下了深厚的友谊，我们一起生活的日子给作者留下了许多美好的回忆。

多年来，作者的父母、姐姐始终坚定地支持作者的求学理想，他们为我的求学付出了艰辛的劳动与伟大的爱，我要特别感谢我父亲和母亲在我整个求学过程中为我做出的无私奉献，他们的支持始终是我前进的动力，他们无私的爱将永远铭刻在我的心中。

最后要感谢女友章洵，她无时无刻不给我鼓励，并一起完成了三年的求学生活，我的每一份成绩背后都有着她的默默支持。

谢谢各位！

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[51] SunLu, Deng Xuejun. Predicting Vertical Dynamic Loads Caused by

Vehicle-Pavement Interaction. Journal of Transportation Engineering，1998,124(5)]

华中科技大学硕士学位论文

附录攻读学位期间发表论文目录

[1]

丁律辉，黄其柏，周明刚，胡浩，宋朝，汽车车桥CAE软件设计及接口技术研究，组合机床与加工自动化技术，录用待刊，第一作者署名单位：华中科技大学

61汽车桥壳参数化设计与性能仿真系统研究

作者：

学位授予单位：

丁律辉

华中科技大学

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_D046182.aspx

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