一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法与流程

1.本发明属于乘用车传动系统有限元建模技术领域，具体涉及一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法。


背景技术：

2.驱动轴作为汽车传动系统的主要部件在汽车行驶过程中起着传递运动及转矩的作用。由于驱动轴结构的运动学、动力学特点，汽车在行驶过程中，半轴动态滑移力和轴向派生力也会随着半轴姿态的变化而不同。驱动轴的导致的整车振动现象也是市场是哪个因为驱动后问题而抱怨比较多的问题。驱动轴作为传动系的重要组成部件之一，其动态特性对整车性能影响很大，驱动半轴支架为驱动轴振动传递环节的重要部件，保证其第一阶模态频率不和动力总成模态和驱动半轴模态耦合，是规避驱动轴振动通过悬置传递到车身的幅值过大的重要指标。
3.前驱动半轴和新能源汽车半轴基本都带驱动半轴支架，驱动轴就变成了整车一个重要的部件，也成为了驱动半轴开发前期必须控制的一个关键部件。
4.长久以来，对驱动半轴支架模态参数识别工作只能等到总成装配完成后开展，而驱动半轴轴设计、制造周期成本均较长，已经不能满足整车开发周期缩短的现实需求。
5.cn115726906a公开了一种火箭-机架连接结构的薄层单元有限元模型的构建方法，包括：构建火箭-机架连接结构的第一有限元模型；基于第一有限元模型，确定火箭-机架连接结构的第一连接刚度；基于第一连接刚度，构建火箭-机架连接结构的薄层单元有限元模型；其中，将第一连接刚度作为薄层单元有限元模型的连接刚度。
6.cn115730487a公开了一种下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法，包括：建立卷筒组结构系统的整体有限元模型；确定卷筒结构-卷筒轴-制动盘的边界条件和连接条件；根据升船机运行特征，确定载荷工况及相应的计算性能参数、钢丝绳载荷；在所述整体有限元模型上施加卷筒结构-卷筒轴-制动盘的边界条件和连接条件，并根据载荷工况，在所述整体有限元模型上施加对应的钢丝绳载荷，采用有限元方法对所述整体有限元模型进行计算，根据有限元计算结果，校核卷筒组结构系统的强度和刚度。
7.国内外针对驱动半轴本身进行cae分析的研究也已经有较多的开展，公开文献对驱动半轴总成的有限元建模方法都没有给出详细的说明。


技术实现要素：

8.本发明专利针对典型驱动半轴支架结构，提供了一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法，对螺栓连接的驱动半轴支架总成模态计算时对其进行了结构简化，给出了不同方向的参考刚度，试验验证表明能保证驱动半轴一阶弯曲计算模态和试验模态的一致性，为驱动半轴支架共振频率设计不合理导致的nvh问题采用有限元方法优化其结构提供的参考。
9.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
10.一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法，针对螺栓连接的驱动半轴支架总成模态计算，包括以下步骤：
11.s1.导入驱动半轴支架三维模型；
12.s2.准备三维模型的材料参数；
13.s3.进行驱动半轴支架三维模型简化并进行有限元网格划分；
14.s4.进行三维模型的材料、属性赋值；
15.s5.模态求解；
16.s6.报告编写。
17.进一步地，所述步骤s1包括：
18.1.1)获取乘用车驱动半轴总成支架三维装配模型；
19.1.2)检查驱动半轴支架装配状态总成三维模型参数；
20.1.3)确认驱动半轴支架装配状态总成三维模型为实体结构，导入到有限元前处理软件。
21.进一步地，所述步骤1.1)中，乘用车驱动半轴总成支架三维装配模型采用stp格式。
22.进一步地，所述步骤s2包括：
23.准备驱动半轴支架密度、弹性模量以及泊松比。
24.进一步地，所述步骤s3包括：
25.3.1)设置网格类型要求；
26.3.2)设置网格质量要求；
27.3.3)螺栓连接处理；
28.3.4)弹簧连接刚度设置；
29.3.5)设置有限元模型边界约束。
30.进一步地，所述步骤3.1)中，采用单元大小3mm实体网格，在厚度方向不少于3层网格。
31.进一步地，所述步骤3.2)包括：
32.实体网格层数不少于三层，四面体二阶单元单元应该满足如下要求：
33.1)在剖分件厚度方向至少划分3层单元，最大单元尺寸＜5mm；
34.2)95％单元长宽比《5，不满足单元最大＜10；
35.3)95％单元翘曲角《7
°
，不满足单元最大＜10
°
；
36.4)95％单元扭曲角《30
°
，不满足单元最大＜45
°
；
37.5)95％单元锥角》80％，不满足单元最小≥60％。
38.进一步地，所述步骤3.5)包括：
39.螺栓孔位置支架和被连接件之间采用刚度约束，弹簧刚度为被连接件和支架连接位置的静刚度；弹簧为单元，弹簧一端连接支架螺栓孔的的下表面，另一端采用固定约束边界。
40.进一步地，所述步骤s5包括：
41.5.1)求解设置：设定计算范围为提取2000hz内模态，输出模态振型；
42.5.2)模型输出：将完成的有限元模型输出为求解软件要求的文件格式；
43.5.3)提交模态计算，完成设定的模态参数求解；
44.5.4)通过后处理软件识别出驱动半轴总成支架第一阶模态频率、模态振型。
45.本发明具有以下有益效果：
46.本发明提供了一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法，详细分解了驱动半轴支架模态计算有限元建模的步骤，对螺栓连接给出了合理的简化方案。
47.本发明提供了螺栓连接简化装配模型过程中的关键参数，作为模态计算结果和试验结果一致性的重要保证。
48.本发明省略掉支架连接的对手件(电机壳体或减速器壳体)对支架进行约束模态分析。
附图说明
49.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
50.图1为本发明实施例所述一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法整体流程图；
51.图2为半轴支架三维模型参考图；
52.图3(a)为半轴支架螺栓孔俯视图；
53.图3(b)为半轴支架螺栓孔仰视图；
54.图3(c)为半轴支架螺栓孔主视图。
具体实施方式
55.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
56.实施例
57.如图1所示，一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法，该方法对螺栓连接的驱动半轴支架总成模态计算时对其进行了结构简化和参数化建模，为驱动半轴支架总成弹性体模态计算提供了一种可靠有效的分析和建模手段，具体步骤如下：
58.步骤1、驱动半轴支架三维数据准备
59.获取乘用车驱动半轴总成支架三维装配模型，推荐采用stp格式，保证三维模型结构完备性，三维模型参考图2。
60.步骤2、三维模型数据检查导入
61.检查驱动半轴支架装配状态总成三维模型参数，保证三维模型结构参数完整；
62.确认驱动半轴支架装配状态总成三维模型为实体结构，导入到有限元前处理软件。
63.步骤3、材料参数准备
64.支架材料牌号和材料参数：密度、弹性模量、泊松比
65.步骤4、单位设置，模型单位制见表1。
66.表1单位制
67.量的名称单位名称单位符号长度毫米mm质量吨t时间秒s
68.步骤5、设置网格类型要求：推荐采用单元大小3mm实体网格，在厚度方向确保不少于3层网格。
69.步骤6、设置网格质量要求
70.实体网格层数不少于三层，四面体二阶单元单元应该满足如下要求：
71.1)在剖分件厚度方向至少划分3层单元，推荐单元尺寸为3mm，最大单元尺寸＜5mm。
72.2)95％单元长宽比《5，不满足单元最大＜10；
73.3)95％单元翘曲角《7
°
，不满足单元最大＜10
°
；
74.4)95％单元扭曲角《30
°
，不满足单元最大＜45
°
；
75.5)95％单元锥角》80％，不满足单元最小≥60％；
76.步骤7、螺栓连接处理
77.螺栓模型参考q/cacsp-36规定，螺栓孔处简化结果参考图3，图3(a)为半轴支架螺栓孔俯视图，螺栓孔半径r，1.5倍的螺栓孔用刚性单元连接，图3(b)为支架螺栓孔仰视图，连接关系见图3(c)。
78.步骤8、弹簧连接刚度设置，弹簧连接刚度参考表2
79.表2弹簧连接刚度
80.单元类型k1k2k3k4k5k60长度单元根据实际根据实际根据实际1e61e61e6
81.注：k1～k3分别代表x\y\z三个方向移动，根据支架连接对手件接触刚度实际情况设置和计算，k4～k6代表三个方向转动
82.步骤9、设置模型边界约束
83.螺栓孔位置支架和被连接件之间采用刚度约束，弹簧刚度为被连接件和支架连接位置的静刚度。弹簧为单元。弹簧一端连接支架螺栓孔的的下表面，另一端采用固定约束边界，参考图3(c)所示。
84.步骤10、材料赋值
85.弹性模量、密度、泊松比按照材料牌号赋予支架。
86.步骤11、求解设置
87.设定计算范围为提取2000hz内模态，输出模态振型。
88.步骤12、模型输出
89.将完成的有限元模型输出为求解软件要求的文件格式。
90.步骤13、提交模态计算，完成设定的模态参数求解。
91.步骤14、通过后处理软件识别出支架第一阶模态频率、模态振型。
92.表3支架总成模态计算结果
93.模态阶次频率(hz)阶次差值(hz)模态振型描述模态振型图1
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94.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法，针对螺栓连接的驱动半轴支架总成模态计算，其特征在于，包括以下步骤：s1.导入驱动半轴支架三维模型；s2.准备三维模型的材料参数；s3.进行驱动半轴支架三维模型简化并进行有限元网格划分；s4.进行三维模型的材料、属性赋值；s5.模态求解；s6.报告编写。2.如权利要求1所述的一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法，其特征在于，所述步骤s1包括：1.1)获取乘用车驱动半轴总成支架三维装配模型；1.2)检查驱动半轴支架装配状态总成三维模型参数；1.3)确认驱动半轴支架装配状态总成三维模型为实体结构，导入到有限元前处理软件。3.如权利要求2所述的一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法，其特征在于，所述步骤1.1)中，乘用车驱动半轴总成支架三维装配模型采用stp格式。4.如权利要求1所述的一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法，其特征在于，所述步骤s2包括：准备驱动半轴支架密度、弹性模量以及泊松比。5.如权利要求1所述的一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法，其特征在于，所述步骤s3包括：3.1)设置网格类型要求；3.2)设置网格质量要求；3.3)螺栓连接处理；3.4)弹簧连接刚度设置；3.5)设置有限元模型边界约束。6.如权利要求5所述的一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法，其特征在于，所述步骤3.1)中，采用单元大小3mm实体网格，在厚度方向不少于3层网格。7.如权利要求5所述的一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法，其特征在于，所述步骤3.2)包括：实体网格层数不少于三层，四面体二阶单元单元应该满足如下要求：1)在剖分件厚度方向至少划分3层单元，最大单元尺寸＜5mm；2)95％单元长宽比<5，不满足单元最大＜10；3)95％单元翘曲角<7
°
，不满足单元最大＜10
°
；4)95％单元扭曲角<30
°
，不满足单元最大＜45
°
；5)95％单元锥角>80％，不满足单元最小≥60％。8.如权利要求5所述的一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法，其特征在于，所述步骤3.5)包括：螺栓孔位置支架和被连接件之间采用刚度约束，弹簧刚度为被连接件和支架连接位置
的静刚度；弹簧为单元，弹簧一端连接支架螺栓孔的的下表面，另一端采用固定约束边界。9.如权利要求1所述的一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法，其特征在于，所述步骤s5包括：5.1)求解设置：设定计算范围为提取2000hz内模态，输出模态振型；5.2)模型输出：将完成的有限元模型输出为求解软件要求的文件格式；5.3)提交模态计算，完成设定的模态参数求解；5.4)通过后处理软件识别出驱动半轴总成支架第一阶模态频率、模态振型。

技术总结
本发明公开了一种乘用车驱动半轴支架弹性体模态计算有限元建模方法，针对螺栓连接的驱动半轴支架总成模态计算，包括以下步骤：导入驱动半轴支架三维模型；准备三维模型的材料参数；进行驱动半轴支架三维模型简化并进行有限元网格划分；进行三维模型的材料、属性赋值；模态求解；报告编写。本发明对螺栓连接的驱动半轴支架总成模态计算时对其进行了结构简化，给出了不同方向的参考刚度，保证驱动半轴一阶弯曲计算模态和试验模态的一致性。弯曲计算模态和试验模态的一致性。弯曲计算模态和试验模态的一致性。


技术研发人员：李朋 赵建 陈迪 蔺杰 王义丰 王瑞宝 蔡坤哲
受保护的技术使用者：中国第一汽车股份有限公司
技术研发日：2023.08.24
技术公布日：2023/10/15