基于有限元分析的輪輞結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)

陶金　全勇智

摘 要：為了更好地指導(dǎo)車輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用Creo三維軟件建立不同的輪輞輪緣形狀模型，并采用ANSYS Workbench對(duì)不同輪輞輪緣形狀模型加載相同的力，從分析結(jié)果的應(yīng)力分布、應(yīng)力值大小、制造工藝以及成本方面判斷哪種輪輞形狀設(shè)計(jì)更符合實(shí)際應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：港口機(jī)械輪輞;加寬輪緣;輪輞形狀;有限元分析;FEA對(duì)比

我國(guó)國(guó)內(nèi)的港口機(jī)械保有量數(shù)據(jù)一直都很穩(wěn)健，港口機(jī)械每天都很忙碌，一旦停機(jī)就會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所以，港口機(jī)械對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和安全性要求較高。港口機(jī)械廠商為了提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，往往會(huì)選擇提升設(shè)備性能與質(zhì)量為突破點(diǎn)，并致力于強(qiáng)化設(shè)備的安全性。輪輞是整車中最重要的結(jié)構(gòu)件之一，也是最重要的安全件之一，長(zhǎng)時(shí)間的變幅荷載作用可能會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件過于疲勞而出現(xiàn)損傷或失效等問題。因此，在設(shè)計(jì)或?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化時(shí)，需要盡可能地減少失效的風(fēng)險(xiǎn)。

在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，車輪行業(yè)對(duì)港口機(jī)械輪輞的輪緣設(shè)計(jì)均采用加焊一個(gè)加強(qiáng)圈的方式增加輪緣部分的強(qiáng)度，提高輪輞剛性，進(jìn)而延長(zhǎng)輪輞的使用壽命，但這種方式使工藝變得復(fù)雜并增加了加強(qiáng)圈焊接帶來的潛在焊接失效風(fēng)險(xiǎn)。下面將對(duì)一款港口設(shè)備輪輞的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 輪輞不同幾何結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

1.1 標(biāo)準(zhǔn)的輪輞輪緣結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)的輪輞輪緣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 傳統(tǒng)加強(qiáng)的輪輞輪緣結(jié)構(gòu)

為了加強(qiáng)輪輞輪緣部分的強(qiáng)度，采用局部焊加強(qiáng)圈的方式，如圖2所示。

1.2.1 ?優(yōu)點(diǎn)

在不增加整個(gè)輪緣厚度的前提下，輪輞輪緣強(qiáng)度得到了局部加強(qiáng)，輪輞應(yīng)力下降。

1.2.2 ?缺點(diǎn)

增加了加強(qiáng)圈的制作以及焊接過程，使工藝過程變得復(fù)雜，制造成本增加。另外，焊接會(huì)帶來局部的應(yīng)力集中以及潛在的焊接缺陷，在使用過程中存在焊縫疲勞失效問題。

1.3 ?優(yōu)化的輪輞輪緣結(jié)構(gòu)

為了簡(jiǎn)化制造工藝、降低成本，同時(shí)，不減小輪輞的強(qiáng)度，筆者提出一個(gè)輪緣形狀的優(yōu)化方案，即加寬輪緣，并使輪緣端部勾卷少許下來，改變應(yīng)力分布，如圖3所示。

2 ? ?輪輞結(jié)構(gòu)分析及驗(yàn)證步驟

為了確認(rèn)優(yōu)化的輪輞輪緣結(jié)構(gòu)是否比傳統(tǒng)加強(qiáng)的輪輞輪緣結(jié)構(gòu)好，需要做一些有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）和實(shí)地測(cè)試。

（1）確定輪輞在使用過程中的高應(yīng)力區(qū)域以確定著重分析的區(qū)域。

（2）采用有限元分析，對(duì)高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行對(duì)比分析。

（3）制造輪輞樣件，將其安裝到整車上，并在輪輞高應(yīng)力區(qū)域貼應(yīng)力片，然后整車進(jìn)行常規(guī)作業(yè)。

（4）對(duì)應(yīng)力片收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3 ? 各步驟的分析情況

3.1 ?高應(yīng)力區(qū)域確定

采用Creo進(jìn)行輪輞模型建模，用ANSYS Workbench來模擬對(duì)輪輞施加壓力，然后通過云圖查看輪輞的高應(yīng)力區(qū)域。如圖4—5所示，A—G所在部分是加載力區(qū)域，在施加力后，輪緣胎圈座R角處（見圖3）的應(yīng)力是最大的，因此，將對(duì)要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)分析此區(qū)域的應(yīng)力情況。

3.2 ?FEA模擬對(duì)比分析

用ANSYS Workbench對(duì)圖2和圖3的輪輞結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同的網(wǎng)格劃分，接著加載相同的力（不是真實(shí)的力，僅用于對(duì)比分析），然后對(duì)比此處R角最大的應(yīng)力情況。

應(yīng)力及應(yīng)變?cè)茍D如圖6—7所示，結(jié)構(gòu)2（見圖6）的最大主應(yīng)力為533.45 MPa，結(jié)構(gòu)3（見圖7）的最大主應(yīng)力為504.46 MPa。因此，根據(jù)FEA的對(duì)比分析可以判斷結(jié)構(gòu)3的應(yīng)力分布比結(jié)構(gòu)2好，有機(jī)會(huì)把輪輞的輪緣結(jié)構(gòu)形狀從結(jié)構(gòu)2優(yōu)化成結(jié)構(gòu)3，降低成本及焊接失效風(fēng)險(xiǎn)。

（a）

（b）

3.3 ?整機(jī)實(shí)際工況驗(yàn)證

把結(jié)構(gòu)2的輪輞裝在設(shè)備的右邊，結(jié)構(gòu)3的輪輞裝在設(shè)備的左邊，然后設(shè)備進(jìn)行正常的作業(yè)。輪輞的輪緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖8所示。

3.4 ?應(yīng)力數(shù)據(jù)測(cè)量分析

結(jié)構(gòu)應(yīng)力片位置如圖9所示，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1—3所示。

結(jié)構(gòu)2

結(jié)構(gòu)3

從以上實(shí)際工況測(cè)試獲得的實(shí)際應(yīng)力值來看，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)3的應(yīng)力水平低于優(yōu)化前結(jié)構(gòu)2的應(yīng)力水平，因此，此優(yōu)化方案中結(jié)構(gòu)3可行。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過分析及驗(yàn)證，用加寬輪緣并使輪緣端部勾下的結(jié)構(gòu)替代加強(qiáng)圈的結(jié)構(gòu)，能夠得到比加焊加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)還要低的應(yīng)力，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，消除了加強(qiáng)圈焊接的潛在風(fēng)險(xiǎn)。在工作過程中，輪胎氣壓不足時(shí)，往下勾的輪緣結(jié)構(gòu)對(duì)輪胎起到了保護(hù)作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]閆勝咎，童水光，鐘翠霞，等.基于FEA的車輪結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2009（1）：53-55.