某汽車鋁合金輪轂的有限元分析

1、    某汽車鋁合金輪轂的有限元分析    胡漢春陳晨許星月王清清尹宗軍蘇蓉摘 要：輪轂是車輛承載重要部件，因為它起到承載整個汽車重量的作用。為了使鋁合金輪轂的外觀造型和結(jié)構(gòu)設(shè)計時需滿足安全和使用功能的要求，文章利用catia軟件進(jìn)行建模及三維分析軟件ansys對輪轂力學(xué)進(jìn)行分析，即對輪轂進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，為汽車鋁合金輪轂的優(yōu)化提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：輪轂;ansys;靜力分析：u463.343  ：a  ：1671-7988（2020）03-106-03前言汽車車輪是車輛承載重要部件，其不僅受載重力，還承受因車輛啟動、制動時扭矩

2、的交互作用，以及行駛過程中轉(zhuǎn)彎、沖擊等來自各個方向的不規(guī)則受力。整車的安全性和可靠性很大程度取決于所裝車輪的性能和使用壽命。世界發(fā)達(dá)國家在汽車新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計中普遍采用了cae技術(shù)，當(dāng)前國內(nèi)汽車鋁合金輪轂作為汽車安全性要求最高的部件，張國智以有限元分析軟件anasy和三維軟件為工具，建立了與轎車鋁合金實際的彎曲疲勞實驗，徑向疲勞試驗，沖擊試驗相等效的統(tǒng)一，規(guī)范，完善的有限元模型，為輪轂設(shè)計開發(fā)人員提供了重要的設(shè)計依據(jù)。張晨光使用機械三維繪圖軟件mdt（mechanical desktop）進(jìn)行鋁合金輪轂設(shè)計，建立輪轂圖形庫，已驗證有限元分析結(jié)果。本文利用catia軟件進(jìn)行建模及三維分析軟件an

3、sys對輪轂進(jìn)行分析，為輪轂設(shè)計提供依據(jù)，提高輪轂的強度和使用壽命。1 輪轂的三維建模和有限元分析在catia軟件采用創(chuàng)成式曲面設(shè)計平臺進(jìn)行輪轂建模，如圖1所示。鋁合金輪轂的三維模型轉(zhuǎn)化為有限元模型。運行ansys軟件對輪轂?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，刪除一些不必要的線和點，修改后的模型要達(dá)到ansys軟件分析要求，如圖2所示。1.1 有限元模型建立（1）劃分網(wǎng)格：ansys workbench中mesh程序可對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，高階的單元越接近模型的結(jié)構(gòu)曲線，一般簡單模型選擇低階次單元。采用四面體自動劃分網(wǎng)格，劃分后形成39144個單元和20727個節(jié)點，如圖3所示。（2）輪轂約束及邊界條件設(shè)置

4、：靜力學(xué)分析：1）約束方式，輪轂螺栓孔平面添加約束，約束所有自由度使輪轂不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。2）負(fù)荷方式：給輪輞面施加徑向載荷，方向指向輪轂中心，大小為f=6000n。模態(tài)分析：1）約束方式，螺栓孔添加全約束。2）負(fù)荷方式：輪緣周邊施加彎矩m=2680 nm，螺栓孔施加預(yù)緊力f=25000n。3）邊界條件：在制定邊界條件時，充分考慮輪轂汽車上的受力情況，輪轂受到的壓強為2.5個大氣壓，為0.25mpa，方向指向軸心。（3）將輪轂的有限元模型載入ansys軟件中：輪轂的材料為鋁合金，材料參數(shù)：質(zhì)量密度為2770kg/m3、泊松比為0.33，彈性模量為7.1e+10pa，體積模量為6.9608e+1

5、0pa切變模量為2.6692e+10pa。1.2 輪轂的靜力分析在制定邊界條件時充分考慮輪轂汽車上的受力情況，輪轂受到的壓強為2.5個大氣壓，為0.25mpa，方向指向軸心，輪轂的約束為螺栓孔全約束。由圖4可以看出，輪轂在2.5個大氣壓下，輪轂連接處產(chǎn)生的最大應(yīng)力為5.0021mpa。位于輪輻與輪輞連接處產(chǎn)生最大應(yīng)變，大小為7.1×10-5，如圖5所示。輪轂由于螺栓產(chǎn)生松動使輪轂產(chǎn)生軸向輕微移動，總變形量為0.009mm，如圖6所示。1.3 輪轂的模態(tài)分析下面要對輪轂進(jìn)行模態(tài)分析，進(jìn)行輪轂的六階模態(tài)的分析，得到的輪轂的振動云圖。圖7所示為一階模態(tài)圖，其固有頻率為124.75hz，可以

6、看出輪轂外圈在上下擺動。圖8所示為二階模態(tài)，振動頻率為124.76hz，輪轂外圈在左右擺動，由于輪轂為軸對稱零件，因此前兩階模態(tài)頻率基本一樣。圖9所示為三階模態(tài)，振動頻率為217.48hz，輪輻沿中心軸向左右擺動。圖10所示為四階模態(tài)，振動頻率為225.46hz，輪輻向內(nèi)變形。圖11所示為五階模態(tài)，振動頻率為323.93hz，輪轂已經(jīng)開始扭曲。圖12所示為六階模態(tài)，振動頻率為385.95hz，輪轂扭曲加劇且輪轂向螺栓孔外側(cè)移動。2 結(jié)論采用catia軟件繪制輪轂的三維模型。同時，采用ansys workbench對輪轂進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析。結(jié)果表明由于輪輻的條數(shù)較少，導(dǎo)致輪輞支持面承受載荷能力弱，且輪輻為了美觀設(shè)計了凹槽，使用材料減少，雖然看起來美觀時尚，但削弱了輪輞的抗壓抗沖擊的能力。參考文獻(xiàn)1 張晨光.鋁合金輪轂的造型設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析d.河北工業(yè)大學(xué)， 2000.2 張國智.轎車鋁合金輪轂臺架試驗的有限元數(shù)值模擬d.燕山大學(xué)， 2005.3 邢志媛.基于有限元分析的鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計及差壓鑄造研究d.南京理工大學(xué)， 2009.4