趙滿玲 儀登利 閆紹峰

1.錦州市機電工程學校 121003；2.遼寧工業(yè)大學 121001

鋁合金輪轂UG建模和ANSYS有限元應力分析

趙滿玲1儀登利2閆紹峰2

1.錦州市機電工程學校 121003；2.遼寧工業(yè)大學 121001

基于CAD軟件UG進行鋁合金輪轂的三維建模，以幅板厚度和兩幅板間夾角為變化量，建立了不同結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的鋁合金車輪模型。通過對有限元計算結(jié)果的分析，找到了幅板厚度和兩幅板間夾角的最佳范圍。結(jié)果表明：該方法可縮短設(shè)計周期，降低成本，對工程應用有一定的實用價值。

UG建模；鋁合金輪轂；ANSYS；有限元

隨著汽車工業(yè)的迅猛的發(fā)展，鋁合金輪轂的應用越來越普遍。鋁合金輪轂具有重量輕，降低油耗；散熱性好，提高輪胎壽命；緩沖和吸震性好；造型美觀，易加工，耐腐蝕等優(yōu)點。但我國鋁合金車輪行業(yè)普遍存在設(shè)計周期長，制造成本高等現(xiàn)狀。因此采用先進的三維CAD軟件和大型CAE 軟件對汽車鋁合金輪轂進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，有利于縮短設(shè)計周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

UG是應用最廣泛的大型工程CAD軟件之一,具有強大的建模功能，尤其是曲面造型功能強大；ANSYS是一款大型的通用CAE軟件，其有限元分析功能強大?；谏鲜隹紤]，將UG和ANSYS兩個軟件結(jié)合起來，在UG中構(gòu)建鋁合金輪轂的幾何模型，在ANSYS中對模型進行有限元分析。

1. UG建模

圖1 B=50°車輪模型 圖2T=10mm車輪模型Fig.1B=50°Wheel model Fig. 2T=10mm Wheel model

U G建模在Windows 2000、WindowsXP系統(tǒng)平臺上安裝UG軟件并運行，進入主界面，建立新文件即可使用。分別以幅板厚度T和兩幅板間夾角B為參數(shù)建立了鋁合金車輪的參數(shù)化模型，以得到不同結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的鋁合金車輪。其步驟如下：

1.1 進入草圖編輯器，用樣條曲線畫出輪輞的輪廓線，選擇插入＞偏置曲線，在彈出的偏置曲線對話框中設(shè)置偏置距離，確定輪輞厚度然后退出草圖。

1.2 選擇,回轉(zhuǎn)命令，旋轉(zhuǎn)角度為360°，生成輪輞實體。

1.3 進入草圖環(huán)境，建立車輪輪輻和輪轂輪廓線。利用旋轉(zhuǎn)、陣列等命令，創(chuàng)建輪輻和輪轂。

1.4 用求和對話框，實現(xiàn)輪輞和輪幅的結(jié)合統(tǒng)一。

1.5 選擇工具菜單中的表達式功能，實現(xiàn)車輪的參數(shù)化設(shè)計。設(shè)置兩個變量，一為幅板厚度T,另一為兩幅板間夾角B。

1.6 在工具菜單中可視化編輯器中，通過改變T和B的值，建立不同結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的車輪模型，形成模型庫。部分模型如圖1和圖2所示。

2 有限元應力分析

2.1 應力分析

保持幅板間夾角不變，對幅板不同厚度的鋁合金車輪進行應力計算。Colour Plot云圖如圖3所示。從云圖顯示應力結(jié)果上看，最大應力值出現(xiàn)在幅板根部，這與實際沖擊試驗時幅板根部常發(fā)生斷裂的結(jié)果一致；保持幅板厚度不變，對幅板間不同夾角的鋁合金車輪進行應力計算。Colour Plot云圖如圖4所示。從云圖顯示應力結(jié)果上看，最大應力值出現(xiàn)在幅板根部，這也與實際試驗結(jié)果一致。

圖3 應力云圖Fig.3Stress nephogram

圖4 應力云圖Fig.4Stress nephogram

2.2 不同條件下應力計算結(jié)果

2.3 應力結(jié)果分析

將表1和表2結(jié)果分別繪制成圖5和圖6，并與鋁合金材料的許用應力值作比較：由圖5可知，幅板厚度在16＜T≤20范圍時，車輪的最大應力值小于鋁合金材料的許用應力240MPa，此時車輪達到強度要求，為了滿足材料較?。ǚ搴穸戎敌。?，同時車輪的最大應力值還較小兩個條件，幅板厚度的最佳范圍為18mm至20mm之間；由圖6可知，幅板間夾角在50°至60°范圍內(nèi)變化時，夾角越大，車輪的應力值越小，車輪越安全。當兩幅板間夾角為60°時，車輪的最大應力值最小，車輪是最安全的。因此，幅板間夾角的最佳范圍為53°至60°。

圖5 不同幅板厚度的車輪應力Fig.5 Calculation stress of different former’s thickness

圖6 不同幅板間夾角的車輪應力Fig.6Calculation stress of different former’s included angle

3 結(jié)語

3.1 利用UG軟件的表達式功能和可編輯器，可快速準確的進行鋁合金車輪的參數(shù)化建模。對于曲面較多、結(jié)構(gòu)復雜的車輪可用UG軟件的特征造型、旋轉(zhuǎn)、拉伸、陣列和布爾操作等命令輕松實現(xiàn)幾何造型。

3.2 利用ANSYS軟件建立基于沖擊試驗條件下的車輪的受力模型，并進行靜強度計算。找到車輪的最危險位置，計算結(jié)果與實際試驗結(jié)果基本吻合，說明有限元分析是正確性，應力計算結(jié)果是可靠的。

表1 不同幅板厚的車輪應力計算結(jié)果Tab.1Calculation stress of different former’s thickness

表2 不同幅板間夾角的車輪應力計算結(jié)果Tab.2Calculation stress of different former’s included angle

3.3運用CAD造型軟件UG建立鋁合金車輪的參數(shù)化模型，利用有限元分析軟件ANSYS對鋁合金車輪進行強度分析，設(shè)計者可以在車輪未生產(chǎn)出來之前就對車輪的應力狀態(tài)有了較明確的認識，可減少設(shè)計的盲目性、縮短設(shè)計周期、降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

[1] 趙震偉，王波，王霄峰，管迪華.應用有限元軟件指導車輪的結(jié)構(gòu)改進.機械設(shè)計與制造，2000，5：27—28

[2] 趙震偉.鋼圈彎曲強度的分析和試驗方法研究. 北京：清華大學出版社，2000

[3] 王立輝.鋁合金車輪的強度分析及優(yōu)化設(shè)計.河北工業(yè)大學碩士學位論文，2002

[4] GB/T221-1997.汽車輕合金車輪的性能要求和試驗方法.北京，中華人民共和國機械工業(yè)部，1997

[5]. 臧孟炎,秦滔 .鋁合金車輪強度有限元分析研究.科學技術(shù)與工程，2009，9(2）：382～385

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.078