基于abacus有限元的車輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉軍，陳正江

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230022）

基于abacus有限元的車輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉軍，陳正江

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230022）

針對(duì)車輪的特殊使用工況，根據(jù)車輪彎曲試驗(yàn)，利用ABAQUS建立有限元模型，通過分析找出問題所在，并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使設(shè)計(jì)的車輪能滿足強(qiáng)度使用要求。

車輪；有限元分析；優(yōu)化

CLC NO.:U463.34 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-28-03

前言

車輪是介于輪胎和車橋之間承受負(fù)荷的旋轉(zhuǎn)件，起著承載、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等作用，是車輛行駛系統(tǒng)中重要的安全結(jié)構(gòu)部件。車輪在循環(huán)載荷下的承載能力一般都比較低，因此在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)車輪的強(qiáng)度有著重要的意義。計(jì)算機(jī)輔助工程的應(yīng)用，為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算提供了可靠的手段，使設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品開發(fā)的初級(jí)階段就可以進(jìn)行仿真分析，得出相對(duì)可靠的強(qiáng)度預(yù)測(cè)，縮短開發(fā)周期，節(jié)省費(fèi)用。本文就有限元模型方面展開研究，以汽車車輪的彎曲試驗(yàn)為例，用ABAQUS軟件建立精確的有限元模型，得出車輪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，針對(duì)應(yīng)力分布的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的加強(qiáng)和改進(jìn)。

1、車輪有限元模型的建立

車輪的強(qiáng)度是通過彎曲試驗(yàn)和徑向試驗(yàn)來檢驗(yàn)的，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，彎曲試驗(yàn)破壞幾率遠(yuǎn)大于徑向試驗(yàn)，于是，本文針對(duì)彎曲試驗(yàn)，探討車輪強(qiáng)度的預(yù)測(cè)方法。車輪幾何形狀復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)突變處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致車輪局部應(yīng)力提高，破壞總是由應(yīng)力應(yīng)變最高處起始，沿著一定的結(jié)晶面開始擴(kuò)展，形成裂紋。因此，應(yīng)力集中處就是結(jié)構(gòu)破壞的危險(xiǎn)處。結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度取決于危險(xiǎn)點(diǎn)在應(yīng)力循環(huán)周期內(nèi)的最大最小應(yīng)力值，本文的研究方法是根據(jù)車輪彎曲試驗(yàn)中的加載和約束邊界條件建立車輪的靜態(tài)線性有限元模型，快速找出結(jié)構(gòu)中的危險(xiǎn)點(diǎn)。

圖1 是車輪彎曲試驗(yàn)裝置，車輪固定在工作臺(tái)上，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，加載軸與工作臺(tái)相連，在加強(qiáng)軸末端施加一恒定載荷，產(chǎn)生彎矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪施加旋轉(zhuǎn)彎矩的效果，模擬車輪在行車中承受彎矩負(fù)荷，要求車輪在試驗(yàn)彎矩下經(jīng)歷一定的疲勞循環(huán)后不得出現(xiàn)裂紋等破壞現(xiàn)象。

ABAQUS/CAE是一種提供基于特征的參數(shù)化建立有限元模型方法的前處理程序，給模型帶來高效率和機(jī)動(dòng)性?；谟邢拊椒?，建立起能精確反應(yīng)系統(tǒng)物理特性的有限元模型，從而便于研究和改進(jìn)車輪的強(qiáng)度和剛度特性。

應(yīng)用 ABAQUS建立車輪彎曲試驗(yàn)的有限元模型。車輪是由寶鋼380CL鋼材整體沖壓而成的，各部位厚度不均勻，因此采用修正的十節(jié)點(diǎn)四面體單元建模，能更精確的反映車輪的空間結(jié)構(gòu)。螺栓、螺母用C3D8I（8節(jié)點(diǎn)六面體非協(xié)調(diào)實(shí)體單元）。輪輻及螺栓孔附近是疲勞裂紋最常出現(xiàn)的區(qū)域，因此對(duì)該區(qū)域細(xì)分單元，保證計(jì)算結(jié)果的精度，對(duì)輪輞及輪轂這些不可能發(fā)生疲勞破壞的區(qū)域不作重點(diǎn)研究，粗分網(wǎng)格，減少計(jì)算量。

材料彈性模量取206GPa，泊松比取0.3。約束輪輞下輪緣的全部自由度。建立加載盤模擬輪轂和固定螺栓直接加載彎矩到加載盤上。螺栓預(yù)緊力對(duì)車輪有極大的影響，但不畫出螺紋，因?yàn)槁菁y不是分析的重點(diǎn)。

接觸設(shè)定：加載盤底面與輪輻接觸，加載盤頂面與螺栓頭底面接觸，螺母底面與輪輻接觸，由于不考慮螺栓、螺母的螺紋問題，故使用綁定約束將二者綁定。同時(shí)還要考慮在受力過程中螺栓桿面可能會(huì)與輪輻孔，以及加載盤孔內(nèi)壁接觸，這些地方都設(shè)了接觸。

約束條件：約束輪輞下輪緣的全部自由度，使用ENCA -STRE。

載荷施加：先設(shè)定參考點(diǎn)，用運(yùn)動(dòng)耦合約束將參考點(diǎn)與加載盤面綁定。再在參考點(diǎn)上施加集中彎矩31.25kN.m。

螺栓預(yù)緊力施加：按螺栓定扭 550N.m，折算預(yù)緊力為159600N。

2、有限元計(jì)算結(jié)果分析

從車輪Mises應(yīng)力圖中可知，最大應(yīng)力390Mpa，出現(xiàn)在螺栓連接處，散熱孔周圍最大應(yīng)力 260Mpa。最大位移出現(xiàn)在車輪最前端，為7.3mm。

由上述分析可得，此車輪不滿足使用強(qiáng)度，需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3、改進(jìn)措施

根據(jù)有限元分析計(jì)算得出的數(shù)據(jù)得知，車輪底部之所以出現(xiàn)應(yīng)力集中，是因?yàn)檩嗇椷^于薄弱可在其上適當(dāng)加上加強(qiáng)筋，共兩種方式，改進(jìn)后模型如下圖。

改進(jìn)1型車輪的應(yīng)力得到明顯增大，在螺栓安裝面內(nèi)，應(yīng)力集中在折彎處最大應(yīng)力為 585Mpa，散熱孔周圍最大應(yīng)力382Mpa。

改進(jìn)2型車輪的應(yīng)力得到明顯改善，最大應(yīng)力集中在螺栓安裝處，為242Mpa，散熱孔周圍應(yīng)力相對(duì)較好約180Mpa，其它部位應(yīng)力分布均勻。最大應(yīng)力未超出材料屈服極限，強(qiáng)度滿足使用要求。

由上述數(shù)據(jù)可見：

（1）有效控制應(yīng)力幅值是提高車輪強(qiáng)度的途徑之一。

（2）預(yù)測(cè)的強(qiáng)度值普遍較低。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)是建立在理想狀態(tài)下力學(xué)仿真分析基礎(chǔ)上，忽略了實(shí)際制造過程中產(chǎn)生的疏松、針孔等現(xiàn)象，此類缺陷會(huì)削弱結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，導(dǎo)致強(qiáng)度的降低。

（3）同一個(gè)規(guī)格不同結(jié)構(gòu)的車輪，其強(qiáng)度性能可以相差甚遠(yuǎn)，由此可見結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有著很大的影響。

表1 車輪改進(jìn)前后最大應(yīng)力情況

4、結(jié)論

通過上面用ABAQUS對(duì)車輪進(jìn)行有限元理論分析并改進(jìn)，形成如下結(jié)論：

1.分析結(jié)果表明優(yōu)化后的車輪完全滿足用戶使用要求；

2.應(yīng)用CAD/CAE軟件等分析，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確率，少走彎路，大大縮短了新產(chǎn)品開發(fā)周期；

3.上述的分析方法僅僅是對(duì)車輪進(jìn)行靜態(tài)狀態(tài)下的理論計(jì)算，但對(duì)車輪的疲勞強(qiáng)度沒有分析，這是我們下一步所要做的課題。

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Optimized Design of Wheel Based on ABAQUS Finite Element Method

Liu Jun, Chen Zhengjiang
(Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230022)

According to the special conditions, the wheels according to the wheels by ABAQUS bending test, a finite element model, through the analysis to find the problem, and the optimization design of the wheel, can satisfy the demands strength.

wheels；Finite element analysis；optimize

U463.34

A

1671-7988(2015)05-28-03

劉軍，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。