有限元分析及优化.pdfVIP

内支撑有限元分析和优化

有限元试验软件和优化软件为ANSYS。模型为科研项目安全轮胎内支撑结

构之一，本文主要对零压续跑下内支撑的强度做静力学分析，并在满足内支撑强

度要求的前提下，进行拓扑优化使内支撑最轻。

一.有限元模型的前处理

1模型的建立

模型是由PRO/E软件建立，由于结构比较复杂需要做一定简化，并转换成IGES

格式倒入到ANSYS中。

2单元类型的选择

根据实际情况，分析单元类型选用SOLID45单元。SOLID45单元用于构造三维

实体结构.单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着X、Y、Z方向平动的自

由度。

3材料属性的定义

模型的材料为镁合金，材料属性具体数值下表。

表镁合金属性

材质密度弹性模量泊松比屈服极限

3E(GPa)（MPa）

(kg/m)

0.2

镁合金1890440.3276

4施加载荷和约束

在零压续跑下，内支撑分体所承受的载荷与约束有以下几种：

由于存在预紧力，内支撑内圈与轮辋之间的相对运动很小，因此内支撑内圈

简化为固定约束。

初始速度：由国外安全轮胎标准知，零压续跑下安全轮胎的角速度标准值为

91.63rad/s。将该角速度以初始速度施加到内支撑上。

重力加速度：重力始终作用与内支撑上，以初始惯性力的形式施加重力加速

度。在ANSYS中加速度方向要与重力方向相反，加速度大小为9810mms2。

车体载荷：。取轮胎常压下的标准载荷615kg进行计算，并取内支撑10°包

角区域作为接地区域。用车体载荷除以接地面积算出10°包角区域的压强。在

ANSYS中以压强的形式施加到10°包角区域。

预紧力：内支撑是分体结构，相互之间用螺栓连接，通过计算得出预紧力为：

5123N。该力施加与螺栓孔上，方向沿内支撑切线方向。

经过有限元前处理后，模型如图1所示。

图1前处理模型

二.求解并查看结果

在安全轮胎零压续跑的情况下，内支撑分体的位移与应力分布如图2和图3

所示：

由位移分析图可知零压续跑时，内支撑分体变形最大区域主要集中在螺栓连

接端，而且在锁紧端出现最大位移0.029977mm，而且位移从两端到中间逐渐减

小。

由内支撑应力分布图可以看出应力分布主要集中在两端的螺栓连接处，最大

应力出现在锁紧端，并从螺栓空向四周扩散，在离两端较远的位置应力比较小。

内支撑的最大应力值108.281MPa。

图2内支撑位移分布图

图3内支撑应力分布图

根据结果可以看出内支撑的结构和材料都满足了内支撑的强度要求。

三.模型的拓扑优化

1定义材料属性和选择单元类型

优化时所需要定义的材料特性（弹性模量和泊松比）与做静力学特性分析时

相同，因此在此处就不在单独定义。但是由于SOLID45单元无法做优化分析，

所以二者所需要定义的单元类型不同，优化时选择SOLID95单元类型。

2指定优化与不优化的区域

本文只对内支撑的辐板进行优化，因此内支撑的辐板属于指定优化的区域，

其他部分是不优化的区域，并且以此为界限定义了两个单元。

3定义载荷工况

优化内支撑所受到的载荷和约束与静态分析时的情况相同就不在一一列出。

4定义和控制优化过程

在ANSYS中通过TOPDEF命令定义要省去材料的量，TOPITER命令执行

多次迭代优化。

5定义优化参数

本文定义省去材料的百分比为20%。

6