王瓊雅　李昊　何軍偉

摘 要：在追求環(huán)保節(jié)能的汽車行業(yè)，輕量化越來(lái)越成為高品質(zhì)的代名詞之一。鋁合金輪轂以其良好的性能、更輕的重量、回收率高等優(yōu)勢(shì)成為輪轂行業(yè)的主流。本文以有限元分析軟件ANSYS Workbench為工具，對(duì)鋁合金輪轂的抗沖擊性進(jìn)行分析和預(yù)判，為鋁合金輪轂產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)人員提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有限元分析；Workbench；輪轂；沖擊

中圖分類號(hào)： TG11.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）22-126-2

0 引言

輪轂由輪輞和輪輻部分組成，輪輻又可細(xì)分為輪盤和輻條。輪輞有規(guī)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但輪輻的形狀復(fù)雜多變，沒(méi)有統(tǒng)一的要求。輪轂又叫輪圈，是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)件，并且要支撐整個(gè)汽車的重量。為保證輪轂性能的合格，主要對(duì)其做沖擊試驗(yàn)、彎曲疲勞試驗(yàn)和徑向疲勞試驗(yàn)。在實(shí)際開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)主要影響輪轂性能合格的是其抗沖擊性。

本文通過(guò)用ANSYS Workbench軟件模擬對(duì)輪轂沖擊應(yīng)變的模擬分析，并結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)分析進(jìn)行驗(yàn)證，為輪轂開(kāi)發(fā)人員提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，進(jìn)而縮短開(kāi)發(fā)周期、減少開(kāi)發(fā)成本，從而提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

1 有限元分析和ANSYS Workbench的簡(jiǎn)介

1.1 有限元分析簡(jiǎn)介

有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。

有限元分析是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的（較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。

1.2 ANSYS Workbench的簡(jiǎn)介

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer Aided design，CAD）軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。自ANSYS7.0開(kāi)始，ANSYS公司推出了workbench平臺(tái)。該平臺(tái)是用ANSYS求解實(shí)際問(wèn)題的新一代仿真平臺(tái)，它給ANSYS的求解提供了強(qiáng)大的功能和更方便的用戶界面。ANSYS Workbench 整合了世界所有主流技術(shù)及數(shù)據(jù)，保持多學(xué)科技術(shù)核心多樣化的同時(shí)建立統(tǒng)一的研發(fā)環(huán)境。

2 分析前的準(zhǔn)備工作

2.1 建立3D模型

有限元分析可分成三個(gè)階段，前置處理、計(jì)算求解和后置處理。前置處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后置處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了

解計(jì)算結(jié)果。這三個(gè)階段我們都可以在ANSYS Workbench中完成，并且隨著版本的提升，Workbench的計(jì)算能力也在不斷提高，后置處理也更加方便快捷，但是其建模的功能與其他軟件相比較弱，我們可以在別的軟件中建立實(shí)體模型后導(dǎo)入到Workbench中（實(shí)體模型如圖1所示）。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)各種3D繪圖軟件，如UG、Pro/e、Solidworks等。每個(gè)軟件都有其各自不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，我們可根據(jù)自身情況選擇軟件來(lái)建立模型。Workbench平臺(tái)使用的模型內(nèi)核基于Parasolid（X-T）平臺(tái)[2]。雖然高版本的Workbench可以識(shí)別幾乎全部建模軟件建立的模型，但是為了保證其良好的識(shí)別精度和速度，還是建議模型保存為*.X-T格式。如果在實(shí)際操作中遇到部分局部特征不能被識(shí)別或者識(shí)別有誤的情況時(shí)，也可以嘗試以其他中間格式（例如*.Igs或*.Stp等）文件導(dǎo)入。

2.2 沖擊質(zhì)量

沖頭的質(zhì)量按下式確定

D=0.6W+180

式中，D——沖頭質(zhì)量2%（kg）；

W——最大輪轂靜載荷，按車輛制造廠規(guī)定（kg）。

3 沖擊試驗(yàn)分析

3.1 分析系統(tǒng)選擇

在分析之前，我們要選擇分析系統(tǒng)，在這里我們選擇瞬態(tài)動(dòng)力分析系統(tǒng)（Transient Structural）。瞬態(tài)動(dòng)力分析是確定載荷隨時(shí)間變化作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的技術(shù)。瞬態(tài)動(dòng)力分析可以用來(lái)確定各種沖擊載荷結(jié)構(gòu)，在承受各種隨時(shí)間變化的載荷情況下，結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、應(yīng)變等的響應(yīng)。

3.2 分析流程

Workbench把復(fù)雜的分析過(guò)程集合成為一個(gè)項(xiàng)目流程，從而使分析流程一目了然。結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析的流程分為以下幾步：

3.2.1 定義分析系統(tǒng)

將瞬態(tài)分析系統(tǒng)（Transient Structural）拖入到項(xiàng)目流程圖即可。

3.2.2 定義工程材料數(shù)據(jù)（Engineering Data）

本文研究的鋁合金材料為A356，因其具有較好的延伸性，在實(shí)際沖擊試驗(yàn)過(guò)程會(huì)有大變形現(xiàn)象發(fā)生，所以我們?cè)诠こ滩牧蠑?shù)據(jù)庫(kù)[Engineering Data Sources]中選擇非線性鋁合金材料[Aluminum Alloy nl]。設(shè)定密度ρ：2.7x10-3g/mm3。

彈性模量E：71E09 N/mm2 ；泊松比：0.33[3]。重錘相對(duì)于鋁合金輪轂來(lái)說(shuō)是不會(huì)變形的，我們?cè)诜治鲋锌梢詫⑵湓O(shè)定為剛體，這樣可以減少網(wǎng)格的數(shù)量，也有利于縮短分析的計(jì)算速度。我們選擇結(jié)構(gòu)鋼（Structural Steel）為重錘的材料，并且在實(shí)際試驗(yàn)中與輪子接觸的重塊有其規(guī)定的尺寸，我們可以修改結(jié)構(gòu)鋼的密度來(lái)保證模型中的重錘重量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.3 建模

我們將建立好的實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中即可。

3.2.4 定義接觸關(guān)系（Contacts）

在實(shí)際的沖擊試驗(yàn)中重錘是在豎直方向上運(yùn)動(dòng)的，正產(chǎn)是不會(huì)和輪轂產(chǎn)生相對(duì)的滑動(dòng)，即使因?yàn)檩嗇灥拇笞冃味a(chǎn)生小的滑動(dòng)生成的摩擦力相對(duì)沖擊力來(lái)說(shuō)也可忽略不計(jì)，因此在這里我們選擇粗糙接觸關(guān)系。把輪轂與重錘的接觸表面設(shè)置為接觸面，把重錘的下表面設(shè)定為目標(biāo)面。

3.2.5 網(wǎng)格劃分（Mesh）

網(wǎng)格劃分是將實(shí)體物理模型數(shù)學(xué)化，是有限元分析中極其重要的一部分，是模擬分析的基礎(chǔ)。網(wǎng)格直接影響到精度，求解收斂性和求解速度[4]。在ANSYS Workbench中提供了多種網(wǎng)格劃分的方法，我們可根據(jù)具體情況選擇合適的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3.2.6 設(shè)定約束條件和求解

依據(jù)實(shí)際的沖擊試驗(yàn)條件，我們需要設(shè)置以下幾個(gè)約束條件：

①把輪轂的螺栓孔設(shè)定為固定約束；

②給重錘設(shè)定錘子向下的加速度；

③設(shè)定重錘只能豎直方向的移動(dòng)；

④設(shè)定分析時(shí)間。設(shè)置完約束條件后，直接選擇求解即可。

3.2.7 查看分析結(jié)果

求解過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，需要我們耐心等待。在Workbench中有很多結(jié)果可供查閱，我們只需要選擇自己關(guān)心的結(jié)果即可，在這里我們選擇等效應(yīng)變（Equivalent strain）的結(jié)果來(lái)作為判定設(shè)計(jì)是否合格的依據(jù)。

4 分析結(jié)果在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

如圖2所示，最大等效應(yīng)變?yōu)?.74%，其小于產(chǎn)品要求的延伸率，并且實(shí)際的沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品是合格的，也表明分析結(jié)果是正確的。

在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，并不是每一次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都會(huì)和分析判定結(jié)果完全一致，因?yàn)橛邢拊治鍪菍⒛Ｐ涂醋髅總€(gè)部位的性能都完全相同，并且近似求解的過(guò)程。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，輪轂因其造型等各種原因造成各部位的性能有較大的差異性。

因此，我們要有方法的利用有限元的分析結(jié)果，找到輪轂結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，一方面通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)來(lái)改善性能，另一方面通過(guò)調(diào)整工藝來(lái)提高產(chǎn)品性能。依靠有限元分析，提高了新產(chǎn)品的合格率，降低了生產(chǎn)成本，減少了開(kāi)發(fā)工作量，縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王祝堂.試論我國(guó)汽車鋁合金輪轂工業(yè)的發(fā)展[J].輕工業(yè)加工，2005（3）.

[2] 劉曉天.ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)工程高級(jí)應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2015（5）.

[3] 王渭新，張磊，劉智沖.有限元分析在輪轂設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代鑄造技術(shù)與裝備，2007（4）.

[4] 許京荊.ANSYS 13.0 Workbench數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2012（9）.