有限元方法在車輪中的應用

北京航空航天大學交通學院汽車工程系主任 劉獻棟

在工程技術領域內 經常會遇到兩類典型的問題。第一類問題是研究對象稱為離散系統。離散系統是可解的 但是求解復雜的離散系統需要依靠計算機技術。第二類問題是研究對象稱為連續系統。在求解過程中可以建立描述連續系統的基本方程和邊界條件 通常只能得到少數問題的解析解。對于大量實際工程問題 需要近似算法求解。在尋找近似解法的過程中 工程師和數學家從兩個不同的路線得到了相同的結果 即有限單元法。

有限單元法的形成可以追溯到20世紀50年代 它的形成直接得益于土木結構分析中的矩陣位移法和在飛機結構分析中所獲得的成果。從20世紀60年代中期以來 人們對有限元理論方法及應用進行了大量的研究 不但拓展了有限單元法的應用領域 還開發了許多通用或專用的有限元分析軟件。產品主要的研究領域有計算方法、高精度單元、多物理場耦合與復雜材料模型和多物理場耦合與復雜材料模型。

目前 汽車行業使用較多的通用有限元軟件主要應用于結構分析、動力學分析、非線性分析和通用結構分析等。與車輪相關的部分專用有限元軟件有 用于金屬板料成形分析的Deform、Atuoform、DYNAFORM 用于焊接與熱處理分析的SysWeld。

有限元技術在車輪設計中的應用廣泛。其工作思路是

1、建立其三維數模 Solidworks或其他軟件

2、劃分有限元網格 離散化

3、施加材料屬性、構建邊界條件、載荷條件

4、進行仿真計算 獲得應力分布

5、計算疲勞壽命 MAC—Fatigue FE—Fatigue軟件 或人工挑選危險點進行計算

6、評價設計并為結構修改指明方向。

有限元技術在車輪工藝仿真中的應用主要體現在輪輻沖壓工藝仿真、車輪輻翻邊成形的工藝改進、輪輞輥壓成形過程的有限元模擬和輪輻旋壓。其中 在輪輻沖壓工藝仿真方面 可對拉深、反拉深和成型工藝進行模擬。在成形過程采用顯示算法 在回彈過程采用隱式算法?；诜抡娼Y果 可分析沿不同路徑板料在沖壓過程中厚度的變化規律 還可分析易產生缺陷的位置 從而進行工藝改進。在車輪輻翻邊成形的工藝改進方面 由原來的一次翻邊工藝改為兩次翻邊工藝 降低孔緣部位的最大應變值。在輪輞輥壓成形過程的有限元模擬方面 擴口需考慮回彈前、后的應力分布 一滾需考慮回彈前、后的應力分布回彈對結構應力分布的影響。在輪輻旋壓方面 基于仿真結果 可以分析旋輪形狀、進給速度、進給軌跡等對成形的影響。

總之 有限元方法是工程仿真的強大工具 并且有大量軟件可供使用 但是軟件對使用者來說是個黑匣子 使用者將面臨許多選擇和困惑要用好該工具需要

1、技術人員理解有限元分析的基本理論與方法

2、對工程問題有較好的認識與理解

3、足夠準確的原始數據

4、對計算結果較好的分析能力。