载货车车轮轮辐结构优化分析

载货车车轮轮辐结构优化分析 载货车车轮轮辐结构优化分析 设计与研究汔 载货车车轮轮辐结构优化分析 翁运忠,张小格 (衷风汽车车轮有限公司,湖北十堰442042) 摘要:通过三维有限元弹性接触分析,对用于EQl118车型两种不同结构的车轮轮辐进行了韧步优化,并 介绍了汽车车轮轮辐的有限元分析方法及其步骤 美键词:有限元;结构优化;接触分析 中圈分类号:U46334文献标识码:A文章编号:1005.2550(2002)01-0018-03 Structureoptimizationfordiscintruck WengYunzhong,ZhangXiaoge (DFMWheelc0.Ltd,Shiyan442042,China) Abstr~t:ByusirLgelastfocontact8nsiswithfiniteelen~ntmethodin3D,structureoptimizati onfortwokinds 0fdiscsinEQl118truckismadeFinileelementanalysismethodandstepsfordiscareintroduce d Keywords:finiteelementmethod;structureoptimization;contactanalysis 在当今激烈的市场竞争环境中,各公司都在致 力于改进产品的质量,提高产品的性能和寿命,缩 并降低成本.而采用计算 短产品投放市场的周期, 机化的工程分析手段来优化产品设计,可大大增强 产品的竞争力因为利用计算机无须建立产品原形 样品即可通过工程分析软件快速有效地揭示各类 参数的变化对产品性能的影响,从而达到降低成本 的目的.为开拓汽车车轮的市场.提高车轮的质量 和性能,必须采用有限元分析(FEA)的手段,以较短 的时间获得较理想的产品结构 近年来有用户反映用于EQ1l18车型的 7.o0T一2O车轮存在不同程度的失效.由实际情况来 看,车轮的失效主要是由于轮辐的开裂,开裂部位一 般是在轮辐螺栓孔或通风孔处附近.在此通过对车 轮进行结构优化分析来提高车轮的强度,因轮辐的 受力情况比挡圈和轮辋要复杂得多,所以对车轮台 成进行分析时主要是对车轮的轮辐进行分析. 以下是利用SDRC/I—Deas8m2有限元分析软 件,以7OOr_2O车轮整圆式和四瓣式两种轮辐为 例,介绍车轮轮辐的有限元分析方法及步骤 收稿日期:2001.10.26 l8? 1车轮轮辐模型的建立 1.1几何模型的建立 为了便于不同情况边界条件的建立及分析后 的比较,将轮辐和轮毂,螺栓,螺母一起建立一个比 较复杂的实体模型,并对轮辐一轮毂模型进行整体 分析,这样以轮辐产品图及其实物尺寸为参考,再 根据轮毂,螺栓,螺母的相关尺寸并适当进行简化, 分别建立5种车轮轮辐的几何模型. 1.2有限元模型的建立 对于7.O一2O车轮整圆式和四瓣式轮辐,为 了比较全局定义和局部定义两种划分网格方法的 区别,对这两种轮辐分别采用两种方法来划分网 格 7.?T一2O车轮安装时是以轮辐球面孔定位, 轮辐主要受到螺母球面和轮毂安装面传递的作用 力及螺栓预紧力.根据试验条件给定数据,分别算 出两种轮辐所受的弯矩,由此确定额定载荷作用在 轮毂轴上的位置,将轮辐和轮毂,螺栓,螺母之间的 作用力根据接触面建立多个接触对,对于螺栓预紧 力则采用温度法,即根据有关公式算出车轮每个螺 汔设计与硼究 栓预紧力的等效温度并施加在螺栓的节点上,同时 轮辐四周固定. 2模型的分析及其后处理 对不同结构的轮辐利用SDRC/I—Deas8m2有 限元分析软件分别进行线性静力分析(LinearStatic Analysis),绘出该软件根据形状改变比能理论(第四 强度理论)算出的米赛斯屈服应力分布图(VonMises StressContour),以此确定轮辐的最大应力. 根据轮辐的通风孔,气I'q~L和螺栓孔在汽车行 驶时相对于地面的位置及载荷的影响,对于整圆式 轮辐有l6种不同的情况,对于四瓣式轮辐只有4种 不同的情况,在确定分析时因轮辐结构的对称 性只需分析几种典型的方案为了比较全局定义和 局部定义两种划分网格的方法,以及是否施加螺栓 预紧力和不同的接触边界条件建立方式的区别,分 3种情况来进行比较 (1)采用全局定义法划分网格,不施加螺栓预紧 力,接触条件为自动搜索. 因该方案分析时问太长,对于整圆式轮辐只分 析气门孔在正上方时的情况,对于四瓣式轮辐只分 析通风孔在正上方时的情况,分析结果如1所示. 表l700T_-20车轮两种轮辐分析结果比较卜- 运算时轮辐螵栓孔处轮辐通风孔处 间晟大应力值/MPa最大应力值/M 整圆式34h 轮辐12rain1783416271 四瓣式】9h2011O143 . 03轮辐44rain (2)采用局部定义法划分网格,不施加螺桂预紧 力,根据接触面建立多个接触对 同样这里对于整圆式轮辐只分析气门孔在正上 方时的情况,对于四瓣式轮辐只分析通风孔在正上 方时的情况,分析结果如表2所示. 表27o0T一20车轮两种轮辐分析结果比较{二 运算轮辐螵栓孔处轮辐通风孔处 时间最大应力值/MPa最大应力值/MPa 整圆式Ih139. 48141.29轮辐43rain } 四瓣式lh 轮辐29rain16830I21.64 (3)采用局部定义法划分网格,施加螺栓预紧 力,根据接触面建立多个接触对. 对于整圆式轮辐和四瓣式轮辐各分析4种典型 方案,分析结果如表3,表4所示. 表5700T一20车轮整四式轮辐分析结暴 运算螵栓孔趾通风L处 气门孔位置时间最大应力最大应力 /rain值/MPa值/MPa 正上方83132.O5l4l" 沿车轮轴向逆时 针旋转225.75149.1ll4422 沿车轮轴向逆时 针旋转45.79140.96l48l0 沿车轮轴向逆时 针旋转67.5.79136.36l5344 表47.o0T一20车轮四擗式轮辐分析结果 运算鲰栓L处通风孔处 气门孔位置时间晟大应力最大应力 值/MP且值/MPa 正上方71l6567119.81 沿车轮轴向逆时661565812128 针旋转225. 沿车轮轴向逆时 针旋转4641655612878 沿车轮轴向逆时 针旋转675.62174.77l2546 图1和图2分别为7.00T一20车轮当气门孔 (或通风孔)相对于正上方沿车轮轴向逆时针旋转 67.5.时两种轮辐内表面应力分布图(图示应力单位 均为kPa). 图l70胛2O车轮整圆式轮辐内表面 图270OT一20车轮四瓣式轮辐内表面应力分布 ? l9? .-}—叫叫1布__i叫叫1,?60j??'00,Ts2mTt?',T,一一一,一一,一,,吩 一一一一,,,,,,一 设计与硼究 3车轮轮辐分析后的结论 (1)从表1和表2可以看出,采用全局定义法划 分网格时,因模型的节点数和单元数比采用局部定 义法划分网格要多得多,且没有建立接触对从而大 大增加了运算时间.同时因网格尺寸过小引起结构 的刚度降低从而导致应力在数值上偏大,这说明采 用局部定义法划分网格以及建立接触对既保证了运 算精度叉明显缩短了运算时间 (2)对于螺栓预紧力,以前在有限元模型中还不 能进行合理地加载,现在用温度法就可以方便,准确 地模拟螺栓的载荷情况,且温度法适用于任何复杂 的紧螺栓联接.从表2,表3和表4可以看出,螺栓 施加预紧力后.分析时接触迭代次数均比螺栓未施 加预紧力时要少,方程解算时也容易收敛,因而提高 了运算速度和精度同时螺栓施加预紧力后轮辐最 大应力值变化很小,而螺栓孔处的最大应力值变化 这说明螺栓预紧力对轮辐通风孔处的应力影 较大, 响较小,对螺栓孔处的应力影响较大,且螺栓施加预 紧力后螺栓孔处的应力均有降低. (3)从3种情况分析的不同方案来看,7.o0T一 20车轮四瓣式轮辐的最大应力值比整圆式轮辐大, 与试验结果相符,这说明模型的建立比较合理.从 分析结果及应力分布图还可以看出,整圆式轮辐的 最大应力主要在轮辐内表面通风孔处,四瓣式轮辐 的最大应力均在轮辐内表面螺栓孔处,且整圆式轮 辐的应力分布比四瓣式轮辐的应力分布均匀,从而 说明7.ooT—2O车轮轮辐整圆式的结构比四瓣式要 好 (4)对于7.oo卜2O车轮整圆式轮辐在气门孔 (上接第1O页) 4结论 本文所阐述的方法很好地解决了汽车前轴的可 靠性优化设计问题,应用本文方法对汽车前轴进行 可靠性优化设计,可提高设计水平,节省材料,降低 成本,减轻车重,可以合理地设计汽车前轴,提高汽 车的可靠性可见本文方法是一种实用有效的可靠 性优化设计方法,对机械零部件的可靠性优化设计 具有通用性,可以在机械行业所有可靠性优化设计 中加以应用. 参考文献: ?】王秉刚汽车可靠性工程方法[M】.北京:机械工业出版 20 汔 相对于正上方沿车轮轴向逆时针(或顺时针)旋转 67.5.时,轮辐的应力达到最大;对于四瓣式轮辐是 在通风孔相对于正上方沿车轮轴向逆时针(或顺时 针)旋转67.5.时,轮辐的应力达到最大. 4结束语 (1)最初分析时是利用平面单元(Plate)来建立 模型,因无法对轮辐施加螺栓预紧力,所以对轮辐所 受载荷作了近似处理,同时为了便于对模型加载,在 轮辐螺栓孔处引入了刚性元,从而不可避免地引起 局部的应力失真,因此最后的分析结果还不能很好 地反映真宴的情况.通过不断的探索和模拟分析,最 后确定用实体单元(Solid)来建立模型,对轮辐和轮 毂,螺栓,螺母一起建立的有限元模型进行分析,从 而达到仿真分析的目的. (2)利用比较成熟的车轮轮辐有限元模型及分 析方法对典型的轮辐产品和即将开发的新产品进行 结构优化,其目的就是提高轮辐的强度并尽可能降 低生产成本.对产品比较完整的分析除了结构分析 外,还需进行疲劳分析.即预测车轮的使用寿命 (Durability),分析最终的目的就是利用有限元分析 软件对车轮整体进行结构优化,并结合检测试验来 提高车轮的性能和寿命,降低车轮的生产成本. 参考文献: [1]张允真,曹富新弹性力学及其有限元法IM].北京:中 国铁遭出版杜,1983 [2]张红兵,牡建红.有限元模型中螺栓载荷施加方法的研 究fJ].机械设计与制造,1999,(6):32. 社,1991 f2】郦明,郭鲁比希奇v,费雪皑G,等.汽车结构抗疲劳设 计[M]合肥:中国科学技术太学出版杜,1995 [3】张义民汽车零部件可靠性设计【M]北京:北京理工大 学出版杜,2000. .林逸,朱兴华.汽车零件可靠性设计的二阶矩法 [41张义民 『J].汽车工程,1993,15(6):345-349. I5]张义民,陈塑寰,韩万芝.受随机弯扭复台载荷作用的汽 车半轴的可靠性设计_J]汽车?拖拉机,1994,(2):28.29 [6]张义民,陈塑寰,刘巧怜拖拉机半轴的可靠性设计[J] 农业机械,1994,25(4):98.101 [7]张义民,胨塑寰,何丽桥板簧的可靠性设计{J】汽车科 技.1994.(6):8-10 f81张义民,陈塑寰,何丽桥CA141汽车半轴的可靠性设计 fJ1汽车技术,l995,(3):8-9