有限元方法在車輪中的應(yīng)用

北京航空航天大學(xué)交通學(xué)院汽車工程系主任 劉獻棟

在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi) 經(jīng)常會遇到兩類典型的問題。第一類問題是研究對象稱為離散系統(tǒng)。離散系統(tǒng)是可解的 但是求解復(fù)雜的離散系統(tǒng)需要依靠計算機技術(shù)。第二類問題是研究對象稱為連續(xù)系統(tǒng)。在求解過程中可以建立描述連續(xù)系統(tǒng)的基本方程和邊界條件 通常只能得到少數(shù)問題的解析解。對于大量實際工程問題 需要近似算法求解。在尋找近似解法的過程中 工程師和數(shù)學(xué)家從兩個不同的路線得到了相同的結(jié)果 即有限單元法。

有限單元法的形成可以追溯到20世紀50年代 它的形成直接得益于土木結(jié)構(gòu)分析中的矩陣位移法和在飛機結(jié)構(gòu)分析中所獲得的成果。從20世紀60年代中期以來 人們對有限元理論方法及應(yīng)用進行了大量的研究 不但拓展了有限單元法的應(yīng)用領(lǐng)域 還開發(fā)了許多通用或?qū)Ｓ玫挠邢拊治鲕浖?。產(chǎn)品主要的研究領(lǐng)域有計算方法、高精度單元、多物理場耦合與復(fù)雜材料模型和多物理場耦合與復(fù)雜材料模型。

目前 汽車行業(yè)使用較多的通用有限元軟件主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析、動力學(xué)分析、非線性分析和通用結(jié)構(gòu)分析等。與車輪相關(guān)的部分專用有限元軟件有 用于金屬板料成形分析的Deform、Atuoform、DYNAFORM 用于焊接與熱處理分析的SysWeld。

有限元技術(shù)在車輪設(shè)計中的應(yīng)用廣泛。其工作思路是

1、建立其三維數(shù)模 Solidworks或其他軟件

2、劃分有限元網(wǎng)格 離散化

3、施加材料屬性、構(gòu)建邊界條件、載荷條件

4、進行仿真計算 獲得應(yīng)力分布

5、計算疲勞壽命 MAC—Fatigue FE—Fatigue軟件 或人工挑選危險點進行計算

6、評價設(shè)計并為結(jié)構(gòu)修改指明方向。

有限元技術(shù)在車輪工藝仿真中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在輪輻沖壓工藝仿真、車輪輻翻邊成形的工藝改進、輪輞輥壓成形過程的有限元模擬和輪輻旋壓。其中 在輪輻沖壓工藝仿真方面 可對拉深、反拉深和成型工藝進行模擬。在成形過程采用顯示算法 在回彈過程采用隱式算法?；诜抡娼Y(jié)果 可分析沿不同路徑板料在沖壓過程中厚度的變化規(guī)律 還可分析易產(chǎn)生缺陷的位置 從而進行工藝改進。在車輪輻翻邊成形的工藝改進方面 由原來的一次翻邊工藝改為兩次翻邊工藝 降低孔緣部位的最大應(yīng)變值。在輪輞輥壓成形過程的有限元模擬方面 擴口需考慮回彈前、后的應(yīng)力分布 一滾需考慮回彈前、后的應(yīng)力分布回彈對結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響。在輪輻旋壓方面 基于仿真結(jié)果 可以分析旋輪形狀、進給速度、進給軌跡等對成形的影響。

總之 有限元方法是工程仿真的強大工具 并且有大量軟件可供使用 但是軟件對使用者來說是個黑匣子 使用者將面臨許多選擇和困惑要用好該工具需要

1、技術(shù)人員理解有限元分析的基本理論與方法

2、對工程問題有較好的認識與理解

3、足夠準確的原始數(shù)據(jù)

4、對計算結(jié)果較好的分析能力。