童寒川，夏偉

摘 要：汽車輪轂是汽車上的重要旋轉(zhuǎn)部件，文章以汽車輪轂為研究對(duì)象，對(duì)其彎曲性能進(jìn)行有限元分析，為其輕量化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。汽車輪轂的輕量化設(shè)計(jì)需從材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面考慮，在當(dāng)前的汽車行業(yè)，鋁合金是汽車輪轂的最佳選擇材料;結(jié)構(gòu)方面，文章利用CATIA三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)汽車輪轂進(jìn)行簡(jiǎn)單的造型設(shè)計(jì)，然后運(yùn)用ANSYS有限元軟件，對(duì)輪轂的彎曲性能進(jìn)行了有限元分析，研究了輪轂的應(yīng)力分布情況，在保證其最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于鋁合金輪轂許用應(yīng)力的情況下，對(duì)輪轂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車輪轂;彎曲性能;有限元分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U465.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）23-132-03

Finite Element Analysis of Bending Performance of Aluminum Alloy Wheel hub*

Tong Hanchuan1， Xia Wei2

（ 1.Wuhan City Polytechnic，Hubei Wuhan 430064; 2.Wuhan Technical College of Communications， Hubei Wuhan 430065）

Abstract： The automobile wheel hub is an important rotating component in the automobile. This paper takes the automobile wheel hub as the research object and conducts finite element analysis on its bending performance， which provides a theoretical basis for its lightweight design and structural optimization. The lightweight design of automobile wheels needs to be considered in terms of materials and structure. In the current automotive industry， aluminum alloy is the best choice for automobile wheels. In terms of structure， this paper uses CATIA three-dimensional design software to carry out simple design of automobile wheels. Then， using ANSYS finite element software， the finite element analysis of the bending performance of the hub is carried out， and the stress distribution of the hub is studied. The structure optimization of the hub is ensured when the maximum stress value is much smaller than the allowable stress of the aluminum alloy wheel hub. The design provides a theoretical basis.

Keywords： Automobile hub; Bending performance; Finite element analysis; Structural optimization

CLC NO.： U465.2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-132-03

引言

車輪是車輛行駛系統(tǒng)的重要部件，是聯(lián)系汽車與地面之間的紐帶，它承受著來(lái)自地面的沖擊力、汽車行駛時(shí)的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力以及轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)的離心力等。車輪不僅是輪胎的形狀骨架，也是將輪胎與車軸連接起來(lái)的旋轉(zhuǎn)部件。近年來(lái)，隨著行駛車速的提高，車輪的性能對(duì)汽車的制動(dòng)安全性、操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等有著重大影響。

車輪的強(qiáng)度和剛度與乘車人的安全和車輛的性能息息相關(guān)。一方面，如果車輪的剛度不夠，在行駛時(shí)遇到?jīng)_擊載荷就會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，車輪是一個(gè)動(dòng)平衡的部件，局部的塑性變形會(huì)破壞車輪原來(lái)的性能，從而影響到整車的平順性、乘坐的舒適性，還會(huì)帶來(lái)沖擊載荷使零部件遭到破壞，高速行駛的汽車遇到這種情況必將車毀人亡，后果是慘痛的。另一方面，車輪的強(qiáng)度和剛度如果太大，必然會(huì)增加車輪的質(zhì)量，增大輪輻和和輪輞的厚度[1，2]。車輪是旋轉(zhuǎn)部件，車輪質(zhì)量的增加給整車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量帶來(lái)的影響比其它任何部分質(zhì)量增加所帶來(lái)的影響都嚴(yán)重，它會(huì)使整車的平順性變壞，油耗增加，加速性能變差。因此，本文研究的目的就是使輪轂在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下，盡量減輕質(zhì)量，使整車具有更好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和平順性。

1 輪轂有限元模型的建立

1.1 輪轂?zāi)Ｐ偷暮?jiǎn)化

汽車輪轂的三維造型一般都較為復(fù)雜，如圖1所示。本文對(duì)輪轂中對(duì)分析結(jié)果影響較小以及非考察區(qū)域的幾何特征進(jìn)行了簡(jiǎn)化。如輪轂的充氣孔、安裝臺(tái)上的修飾凹槽以及輪轂的裝飾圓角均進(jìn)行了簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。

圖1 ?簡(jiǎn)化前模型 ? ? ? ? ? 圖2 ?簡(jiǎn)化后模型

1.2 輪轂?zāi)Ｐ偷膶?dǎo)入

本文利用CATIA建立了汽車輪轂的三維模型，以英文命名文件并保存為model格式（ANSYS軟件支持的導(dǎo)入格式），這樣CATIA模型就可以順利導(dǎo)入到ANSYS中，所建有限元實(shí)體模型如圖3所示。

圖3 ?輪轂有限元模型顯示圖

1.3 選擇單元類型

選擇SOLID187單元，該單元有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有x、y、z三個(gè)方向的平移自由度以及繞x、y、z旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

1.4 定義材料屬性

本文研究的輪轂的材料為A356的鑄造鋁合金，其特征參數(shù)為：密度2690kg/m3，彈性模量6.9×1010Pa，泊松比0.33，在ANSYS中輸入材料屬性時(shí)，將這些參數(shù)輸入到對(duì)應(yīng)的輸入框中，以完成材料屬性的定義。

1.5 劃分網(wǎng)格

ANSYS軟件提供了四種劃分網(wǎng)格的方法：自由網(wǎng)格劃分法、映射網(wǎng)格劃分法、延伸網(wǎng)格劃分法、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分法。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)簡(jiǎn)單規(guī)則的實(shí)體劃分網(wǎng)格，采用映射網(wǎng)格劃分法比較好，通過(guò)這種方法劃分的網(wǎng)格可以得到精確的計(jì)算結(jié)果。但是對(duì)于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的輪轂來(lái)說(shuō)，是無(wú)法采用映射網(wǎng)格劃分法來(lái)劃分網(wǎng)格的，而自由網(wǎng)格是不受幾何模型和單元形狀影響的。因此，本文選用自由網(wǎng)格劃分法對(duì)輪轂進(jìn)行網(wǎng)格劃分[3]。

在劃分網(wǎng)格時(shí)，選用Smart Size選項(xiàng)，這樣可以方便地由程序自動(dòng)劃分網(wǎng)格，省去分網(wǎng)控制的麻煩，其有從1到10十個(gè)等級(jí)精度，1為最精細(xì)。劃分網(wǎng)格時(shí)，拖動(dòng)滑塊選擇分網(wǎng)精度為4，這只是控制全局的網(wǎng)格大小，但往往不能滿足某些局部結(jié)構(gòu)分析的要求。輪輻是結(jié)構(gòu)分析時(shí)的重要研究部位，因此本文還對(duì)輪輻部分進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 ?輪轂網(wǎng)格劃分顯示圖

1.6 定義約束

輪轂的固定與連接是通過(guò)連接螺栓實(shí)現(xiàn)的，螺栓是輪轂所受載荷的中間承受者與傳遞者。因此在進(jìn)行有限元分析時(shí)對(duì)螺栓孔全約束是貼合實(shí)際且合理的。本文在定義約束時(shí)對(duì)輪轂的五個(gè)螺栓孔自由度進(jìn)行全約束[4，5]。

2 施加載荷

相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，汽車輪轂所受的力主要是彎矩載荷，但在ANSYS中是很難直接施加彎矩載荷的。為了便于在ANSYS中實(shí)現(xiàn)輪轂所受載荷的施加，本文對(duì)彎矩載荷進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，等效為兩個(gè)分別施加在輪輞兩個(gè)側(cè)面上下半周上的分布力F1、F2，這兩個(gè)力分布形式相同，大小相等，方向相反，合力為零。

作用在輪輞半周上的分布力可以認(rèn)為是按橢圓形形式分布的，查閱資料可得到加載面函數(shù)的表達(dá)式為：

（1）

式中，T0——施加在單位面積上的壓力;

x——加載面上的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo);

r——加載面的半徑。

在ANSYS 中施加余弦函數(shù)形式的分布載荷，只有通過(guò)定義函數(shù)的形式才能實(shí)現(xiàn)。在ANSYS中選用Functions功能，把上式定義為一個(gè)函數(shù)，在施加載荷時(shí)直接以此函數(shù)作為載荷輸入。具體做法如下：

（1）選擇菜單Main Menu： Solution﹥Loads﹥Define Loads﹥Apply﹥Functions﹥Define/Edit，在彈出的函數(shù)編輯對(duì)話框中輸入 ，并保存。

（2）選擇菜單Main Menu： Solution﹥Loads﹥Define Loads﹥Apply﹥Functions﹥Read File，選擇剛才定義的函數(shù)，在彈出的對(duì)話框中輸入fun作為施加載荷時(shí)的選擇參數(shù)，點(diǎn)擊OK。

（3）選擇菜單Main Menu： Solution﹥Loads﹥Define Loads﹥Apply﹥Structure﹥Pressure，然后選取需要施加載荷的兩個(gè)輪輞側(cè)面，點(diǎn)擊OK，完成函數(shù)載荷的施加。

3 計(jì)算及結(jié)果分析

在完成有限元模型建立之后，運(yùn)用ANSYS分析求解模塊進(jìn)行求解計(jì)算，計(jì)算完成之后可以得到如圖5和圖6所示的輪轂應(yīng)力、變形圖。

圖5 ?輪轂正面應(yīng)力分布圖

從應(yīng)力分布圖中可以看出，最大應(yīng)力值為209MPa，小于鋁合金輪轂的屈服強(qiáng)度240MPa，并且最大應(yīng)力只是出現(xiàn)在輻板與安裝凸臺(tái)交接處，該區(qū)域即為疲勞危險(xiǎn)區(qū)域，在輪轂設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對(duì)該區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)。輪轂其他區(qū)域的應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度。因此，本文分析的鋁合金輪轂還有很大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，很有必要對(duì)該輪轂進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減輕整個(gè)輪轂的自重。另外，螺栓孔、輪輞及輪緣的部位都出現(xiàn)了較大的應(yīng)力值，這些部位都在施加載荷處，這是符合實(shí)際情況的。

圖6 ?輪轂背面應(yīng)力分布圖

4 總結(jié)

運(yùn)用有限元軟件對(duì)輪轂的彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行有限元分析，可以清晰的顯示出輪轂在彎曲疲勞試驗(yàn)中應(yīng)力的分布情況，對(duì)進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。通過(guò)有限元分析，我們可以知道設(shè)計(jì)的輪轂是否符合強(qiáng)度要求。通過(guò)應(yīng)力分布圖，我們可以很直觀的看出疲勞危險(xiǎn)區(qū)域和有很大強(qiáng)度儲(chǔ)備的區(qū)域。對(duì)于疲勞危險(xiǎn)區(qū)域，我們可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)加強(qiáng);對(duì)于有很大強(qiáng)度儲(chǔ)備的區(qū)域，我們可以進(jìn)行進(jìn)一步的減重設(shè)計(jì)，同時(shí)也說(shuō)明了有限元軟件對(duì)汽車零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化有著非常重要的作用，使用有限元軟件可以大大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

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