張武冠

（方盛車橋（柳州）有限公司，廣西 柳州 545006）

有限元分析在汽車前輪轂設(shè)計中的應(yīng)用

張武冠

（方盛車橋（柳州）有限公司，廣西 柳州 545006）

用繪圖軟件UG建立汽車前輪轂的三維模型，并利用有限元分析軟件Altair Hypermesh分別對前輪轂的靜載工況 、沖擊工況、側(cè)滑工況、緊急制動工況進行有限元受力分析，通過分析結(jié)果對該零件的設(shè)計進行評價及優(yōu)化。

Altair Hypermesh；汽車前輪轂；有限元分析

前輪轂是汽車車橋的一個重要部件，它連接制動盤或制動鼓，起到承載汽車、傳遞動力的作用。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，在產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)階段運用有限元分析的技術(shù)，能大大的降低設(shè)計者時間，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。

1　理論依據(jù)

運用有限元分析軟件Altair Hypermesh對汽車前輪轂進行有限元分析計算。通過分析應(yīng)力、位移云圖，對應(yīng)力過于集中的部位進行優(yōu)化，從而提高前輪轂的使用性能。

2　客車前輪轂優(yōu)化前、后有限元分析

2.1前輪轂優(yōu)化前有限元模型的建立

利用UG建立前輪轂三維實體模型，如圖1所示。根據(jù)前輪轂裝配情況，增加鋼圈以及制動盤的UG簡易模型，如圖2所示。

圖1　前輪轂三維模型

2.2網(wǎng)格劃分

將該結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入有限元分析軟件Altair Hypermesh，按照單元大象10mm，公差0.5mm對裝配結(jié)構(gòu)零件進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2　輪轂配簡易圖及有限元分析

2.3前輪轂的材料參數(shù)確定

前輪轂材料選用QT450-10A，材料參數(shù)如表1所示。

表1　輪轂材料參數(shù)表

2.4受力工況計算

根據(jù)前輪轂實際使用情況，整橋載重為6500Kg。運用以下計算公式分別對輪轂進行靜載工況 、沖擊工況、側(cè)滑工況、緊急制動的受力計算。

靜載工況：

式中：

M-整橋載重，kg；

g-重力加速度

沖擊工況（3.5倍載荷）：

式中：

M-整橋載重，kg；

g-重力加速度

側(cè)滑工況：

式中：

M-整橋載重，kg；

g-重力加速度

μ-摩擦系數(shù)

緊急制動：

式中：

M-整橋載重，kg；

g-重力加速度

μ-摩擦系數(shù)

2.5有限元約束及載荷分析

通過Altair Hypermesh軟件分別對輪轂的靜載工況 、沖擊工況、側(cè)滑工況、緊急制動進行邊界條件加載及有限元受力分析。約束輪轂兩軸承位，在輪距位置通過對鋼圈施加作用力，如圖3，圖4。

圖3　靜載工況和沖擊工況施加作用力位置

圖4　從左至右依次為側(cè)滑工況和緊急制動工況施加作用力位置

分析結(jié)果如圖5所示，從左至右依次為靜載工況 、沖擊工況、側(cè)滑工況、緊急制動工況的分析結(jié)果示圖。

圖5　分析結(jié)果

2.6各工況安全系數(shù)計算及分析

分別對各工況的安全系數(shù)進行計算，計算結(jié)果見表2。

表2　各工況安全系數(shù)計算及分析

根據(jù)分析結(jié)果，側(cè)滑工況產(chǎn)生應(yīng)力較大，在R圓角區(qū)域安全系數(shù)較低，說明該區(qū)域結(jié)構(gòu)不合理，無法滿足使用工況的要求，在使用過程中存在質(zhì)量隱患。因此必須對該區(qū)域結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

2.7零件的優(yōu)化和有限元分析

根據(jù)以上的分析結(jié)構(gòu)，對輪轂結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。按方案一和方案二所示分別將輪轂兩處圓角增大。

圖6　優(yōu)化方案一和方案二

根據(jù)以上步驟，重新對優(yōu)化后的輪轂側(cè)滑工況進行分析。分析結(jié)果如圖7、圖8。

圖7　優(yōu)化方案一分析結(jié)果

圖8　優(yōu)化方案二分析結(jié)果

安全系數(shù)計算，見表3。前輪轂優(yōu)化方案一側(cè)滑工況下安全系數(shù)增至1.2，方案二側(cè)滑工況下安全系數(shù)增至1.3，故選擇方案二對輪轂進行優(yōu)化。

表3　優(yōu)化后各工況安全系數(shù)計算及分析

3　結(jié)論

通過UG軟件建立汽車前輪轂的三維模型，結(jié)合有限元分析軟件Altair Hypermesh分別對前輪轂簡易裝配總成的靜載工況 、沖擊工況、側(cè)滑工況、緊急制動工況進行有限元受力分析，得到前輪轂所受到的應(yīng)力分布圖，從而能核算出選取不同材料的前輪轂的安全系數(shù)。最后通過分析結(jié)果對該零件的設(shè)計進行評價和優(yōu)化。此分析方法對其他零部件設(shè)計分析具有重要的借鑒意義，它能在零件開發(fā)階段模擬出其受力情況，從而分析產(chǎn)品的性能，找出零件結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)并優(yōu)化。這能大大縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少開發(fā)后期的試驗次數(shù)和試驗成本。

［1］ 余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［2］ 陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2006.

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［4］ 張洪武，關(guān)振群.有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［5］ 付亞蘭，謝素明.基于Hypermesh的結(jié)構(gòu)有限元建模技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2015.

圖4　原始曲線與去噪后曲線

即原先含噪還原曲線的還原終點為62.6%，校正后的結(jié)果為59.3%。如果為定位更加精確，還可以利用“Zoom”功能選擇感興趣的部分將圖形放大。

5　結(jié)論

利用Daubechies小波，結(jié)合Matlab小波分析工具箱的GUI功能，可以十分方便將含噪球團礦還原曲線的噪聲進行降噪，從而達到結(jié)果校正的目的。同時由于減少了試驗次數(shù)，也節(jié)省了試驗費用，按某實驗室一年試驗2000個樣品校正率5%計，則需要100次試驗需要校正，校正一次節(jié)省電288度，計110元（0.38元/度，動力電），節(jié)省2瓶還原氣和2瓶保護氣，費用2200元（還原氣1000元/瓶、保護氣100元/瓶，雙試驗），共計節(jié)省直接費用23.1萬元/年。當然，也節(jié)省了100個工作日/人臺的設(shè)備人工占用費用。

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Finite element analysis in the design of automotive front wheel hub

In this paper， the three-dimensional model of the software UG to automotive front wheel hub， and use of finite element analysis software Altair Hypermesh the hub for static stess analysis， get the part of stress contours， provide a valuable reference for the rational design of part.

Altair Hypermesh； automotive front wheel hub； finite element analysis

U46

A

1008-1151（2016）03-0044-03

2016-02-13

張武冠（1987-），男，廣西玉林人，方盛車橋（柳州）有限公司助理工程師，從事商用車車橋及其零部件的研發(fā)和應(yīng)用。