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基于ANSYS的汽车轮毂的强度分析和轻量化分析

1.概论

轮毂是汽车轮胎内用于支撑轮胎和固定轮胎内缘的圆柱形金属部件,与轮胎一起受到汽

车载荷的作用。汽车在运动过程中,车轮与地面接触的相互作用力,以及使汽车运动的力矩

都是通过轮毂来实现的。因此轮毂的强度大小是汽车稳定、可靠运行的重要因素,需要借助

有限元软件对轮毂进行强度和刚度分析。

同时在研究轮毂轻量化设计时,也需要考虑到轮毂的刚度,适当地降低轮毂的变形量,

以确保其轮辋圆度,确保汽车行驶的稳定性和可靠性,提高其安全系数。本文针对某工厂生

产的钢制轮毂进行研究,利用ANSYS软件对其进行强度分析和结构优化设计,最终实现轻

量化设计。

本文分析软件采用ansysWorkbench,优化部分采用Workbench中自带的优化模块

DesignExploration。自ANSYS7.0开始,ANSYS公司推出了ANSYS经典版(MechanicalAPDL)

和ANSYSWorkbench版两个版本,并且目前均已开发至18版本。Workbench是ANSYS公司

提出的协同仿真环境,解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。ANSYS公司长期以来

为用户提供成熟的CAE产品,现在决定把自己的CAE产品拆散形成组件。公司不只提供整

合的、成熟的软件,而且提供软件的组件(API)。用户可以根据本企业产品研发流程将这些

拆散的技术重新组合,并集成为具有自主知识产权的技术,形成既能够充分满足自身的分析

需求,又充分融入产品研发流程的仿真体系。Workbench则是专门为重新组合这些组件而设

计的专用平台。它提供了一个加载和管理API的基本框架。在此框架中,各组件(API)通

过Jscript、VBscript和HTML脚本语言组织,并编制适合自己的使用界面(GUI)。另外,第

三方CAE技术和用户具有自主知识产权的技术也可以像ANSYS的技术一样编制成API溶入

这个程序中。

2.有限元模型建立

首先在ansysworkbench的前处理软件中导入已经建好的轮毂几何模型,在前处理软件

中除去了部分细小倒角和孔特征,不影响整体的有限元分析。

图1几何模型

根据轿车车轮在弯曲疲劳试验的标准(GB/T5334-2005)对汽车轮毂的参数化模型

进行应力分析,确定轮毂的约束条件和载荷加载方式。汽车在行驶的过程中,汽车的轮胎在

进行圆周运动的同时又以一定的速度向前移动,所以汽车的轮毂既要支撑汽车的重量又要承

受弯曲载荷。

轮毂的材料属性如下表所示。

表1材料参数

弹性模量(Pa)泊松比密度(kg/m^3)

2.1e110.37800

网格采用solid185单元,solid185单元用于构造三维固体结构.单元通过8个节点来定义,

每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度.单元具有超弹性,应力钢化,蠕变,,大变形和大

应变能力.还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。

图2单元类型

同时在网格划分时候尽量采用六面体网格进行划分,保证网格精度的同时减少节点自由

度,这样可以节省有限元求解时间。有限元模型如下图所示,其中网格总数为45109,节点

总数为68449。

图3有限元网格模型

根据轮毂的受力情况可知,轮毂的螺栓处是与车轴进行固定连接的,轮毂螺栓所在的法

兰面刚好与传动轴所在的法兰面进行配合,所以在有限元分析中,直接约束该法兰面所有自

由度,如下所示

图4边界条件

以本文所研究的车型来说,汽车的质量为1050Kg,满载质量为2110Kg,则满载负荷为

20678N,N,该车的重量W=10290N,根据实际情况,得载荷影响系数为ni=1.21。所以

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