基于CATIA V5的汽車車輪鋼圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

1、基于CATIA V5的汽車車輪鋼圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析2008-05-09 19:06:43  作者：王磊  來源：一汽天津夏利汽車股份有限公司  文字大?。捍?#160;中 小簡介：本文運(yùn)用CATIA V5 創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)分析功能對汽車車輪鋼圈的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析，分別對彎曲疲勞臺架試驗工況和徑向疲勞臺架試驗工況進(jìn)行了分析。分析計算結(jié)果表明，汽車車輪鋼圈強(qiáng)度的有限元仿真分析是實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度設(shè)計的有效手段。關(guān)鍵字：創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)分析 汽車車輪鋼圈 彎曲疲勞臺架試驗工況 汽車車輪是汽車的重要部件，汽車與地面之間的所有相互作用力和力矩(例

2、如驅(qū)動力、制動力、側(cè)向力、垂直力以及回力矩等)都是通過車輪傳遞，因此車輪對汽車的多種性能有重要的影響，尤其是安全性和可靠性。由于車輪是回旋體，所以要求尺寸精度高，平衡度好，支撐輪胎的輪輞外形(包括輪廓、尺寸、形狀)正確，而且具有一定的剛度和彈性，耐疲勞，重量輕，經(jīng)歷適用。 本文在分析了車輪結(jié)構(gòu)特點之后，介紹了應(yīng)用CATIA V5 有限元法對車輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時的力學(xué)模型簡化方法，然后對車輪的彎曲和徑向疲勞臺架試驗工況進(jìn)行了有限元分析，來指導(dǎo)車輪結(jié)構(gòu)的修改，獲得了較為理想的結(jié)果。 1 汽車車輪結(jié)構(gòu)與特點 汽車車輪鋼圈由輪輞和輪輻組成，兩者用焊接的形式組合而成。其結(jié)構(gòu)隨著使用要求和設(shè)計布局的不同而不

3、同。本文所研究的車輪鋼圈如下圖所示。其輻板上面挖去9 個減重孔，輪緣和輪輞底部便于安裝輪胎。 圖1 汽車車輪鋼圈模型2 CATIA V5 有限元分析的特點 CATIA 是法國達(dá)索公司開發(fā)的一種CAD/CAE/CAM 軟件。CATIA 軟件以其強(qiáng)大的功能在飛機(jī)、汽車、輪船等設(shè)計領(lǐng)域享有很高的聲譽(yù)。創(chuàng)成式有限元分析(Generative Structure Analysis)是CATIA V5 軟件一個比較成熟的模塊，它能夠同CATIA 其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，在同一個界面下進(jìn)行有限元分析操作。同專業(yè)的有限元分析軟件相比較，它具有操作簡單，分析結(jié)果可靠性好，同時不需要對分析模型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，因而受到

4、越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。 在CATIA V5 種進(jìn)行有限元分析的流程如下圖所示： 3 汽車車輪鋼圈有限元分析 3.1 車輪鋼圈有限元分析模型建立 (1).結(jié)構(gòu)。 車輪鋼圈模型完全按照圖紙尺寸建立，幾乎未做簡化，防止產(chǎn)生以外誤差，避免影響分析結(jié)果。 (2).邊界條件和載荷。 針對汽車車輪鋼圈彎曲疲勞臺架試驗和徑向疲勞臺架試驗工況，對車輪鋼圈進(jìn)行計算機(jī)有限元模擬強(qiáng)度和剛度分析。參照給定的試驗條件，我們進(jìn)行了如下兩種工況條件下的有限元分析 工況一：模擬汽車車輪鋼圈的彎曲疲勞臺架試驗。 約束方式：輪輻支撐面接觸區(qū)固定 負(fù)荷方式：(a). 輪緣周邊施加彎矩M，彎矩大小為：M=2683N.m；(b). 緊

5、固孔錐面施加軸向力F；軸向力大小為：F=25000N×6。 工況二：模擬車輪鋼圈的徑向疲勞臺架試驗。 約束方式：輪輻緊固孔接觸區(qū)固定 負(fù)荷方式：a. 輪緣垂直平面施加兩個軸向力L，這兩個軸向力大小相等、方向相反，沿周邊均勻分布；軸向力L 的大小為：L=49478N；b. 輪輞兩側(cè)胎圈座中軸線左右各20mm 范圍內(nèi)均勻施加徑向力P1、P2，徑向力P1、P2 分別為：P1、P2=3528N；中軸線左右各2050mm 范圍內(nèi)施加徑向力P3、P4、P5、P6，其值大小為：P3、P4、P5、P6=1176N。 3.2 車輪鋼圈有限元網(wǎng)格劃分 CATIA 提供了豐富的有限元單元類型，如殼單元、梁

6、單元、桿單元、實體單元等。根據(jù)車輪鋼圈的工件特點和分析精度要求，本文采用采用軟件默認(rèn)工程精度進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用四面體立體單元。單元網(wǎng)格的大小為10mm。在定義網(wǎng)格屬性之前，我們需要對其進(jìn)行材料定義，此模型為碳鋼材料模型，彈性模量為：2.0e+5Mpa; 泊松比為：0.27。單元網(wǎng)格屬性為實體屬性。手孔、緊固孔、輪緣等重點部位單元細(xì)化，以求提高分析結(jié)果的精確度。 車輪鋼圈共劃分實體單元52,251 個，節(jié)點數(shù)位17,760 個。如下圖所示： 圖3 汽車車輪鋼圈模型3.3 有限元模型計算及數(shù)據(jù)輸出分析 運(yùn)用CATIA V5 創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)分析模塊，對對上面建立的鋼圈有限元分析模型進(jìn)行分析求解。此模型的計算目的就是分析汽車車輪鋼圈在這倆種工況條件下的應(yīng)力分布情況，得到它們的應(yīng)力大小及分布圖。圖3 為彎曲疲勞臺架試驗工況下的應(yīng)力云圖，圖4 為徑向疲勞臺架試驗工況下的應(yīng)力云圖。 從圖4 中可以得到，變形集中區(qū)域位置主要位于輪輞邊緣和輪輻中心孔邊緣，應(yīng)力集中區(qū)域位置主要在輪輻支撐面、螺栓孔周圍、手孔邊緣，最大應(yīng)力點數(shù)值，8.55e+8N/m2(螺栓孔錐面)。從圖5 中可以得到，變形集中區(qū)域位置主要位于輪緣徑向受力一側(cè)，應(yīng)力集中區(qū)域位置主要在輪輞輪緣、螺栓孔錐面、手孔邊緣，最大應(yīng)力點數(shù)值：3.63e+8N/m2(螺栓孔錐面)。 4 結(jié)束語 通過對該型汽車車輪鋼圈進(jìn)行有限元分析