基于abacus有限元的車輪優化設計

劉軍，陳正江

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230022）

基于abacus有限元的車輪優化設計

劉軍，陳正江

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230022）

針對車輪的特殊使用工況，根據車輪彎曲試驗，利用ABAQUS建立有限元模型，通過分析找出問題所在，并進行優化改進，使設計的車輪能滿足強度使用要求。

車輪；有限元分析；優化

CLC NO.:U463.34 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-28-03

前言

車輪是介于輪胎和車橋之間承受負荷的旋轉件，起著承載、轉向、驅動、制動等作用，是車輛行駛系統中重要的安全結構部件。車輪在循環載荷下的承載能力一般都比較低，因此在設計階段預測車輪的強度有著重要的意義。計算機輔助工程的應用，為結構強度計算提供了可靠的手段，使設計人員在產品開發的初級階段就可以進行仿真分析，得出相對可靠的強度預測，縮短開發周期，節省費用。本文就有限元模型方面展開研究，以汽車車輪的彎曲試驗為例，用ABAQUS軟件建立精確的有限元模型，得出車輪結構的應力分布，針對應力分布的薄弱環節進行相應的加強和改進。

1、車輪有限元模型的建立

車輪的強度是通過彎曲試驗和徑向試驗來檢驗的，實際經驗表明，彎曲試驗破壞幾率遠大于徑向試驗，于是，本文針對彎曲試驗，探討車輪強度的預測方法。車輪幾何形狀復雜，在結構突變處容易出現應力集中現象，導致車輪局部應力提高，破壞總是由應力應變最高處起始，沿著一定的結晶面開始擴展，形成裂紋。因此，應力集中處就是結構破壞的危險處。結構的強度取決于危險點在應力循環周期內的最大最小應力值，本文的研究方法是根據車輪彎曲試驗中的加載和約束邊界條件建立車輪的靜態線性有限元模型，快速找出結構中的危險點。

圖1 是車輪彎曲試驗裝置，車輪固定在工作臺上，通過電機轉動帶動工作臺和車輪轉動，加載軸與工作臺相連，在加強軸末端施加一恒定載荷，產生彎矩，實現對車輪施加旋轉彎矩的效果，模擬車輪在行車中承受彎矩負荷，要求車輪在試驗彎矩下經歷一定的疲勞循環后不得出現裂紋等破壞現象。

ABAQUS/CAE是一種提供基于特征的參數化建立有限元模型方法的前處理程序，給模型帶來高效率和機動性。基于有限元方法，建立起能精確反應系統物理特性的有限元模型，從而便于研究和改進車輪的強度和剛度特性。

應用 ABAQUS建立車輪彎曲試驗的有限元模型。車輪是由寶鋼380CL鋼材整體沖壓而成的，各部位厚度不均勻，因此采用修正的十節點四面體單元建模，能更精確的反映車輪的空間結構。螺栓、螺母用C3D8I（8節點六面體非協調實體單元）。輪輻及螺栓孔附近是疲勞裂紋最常出現的區域，因此對該區域細分單元，保證計算結果的精度，對輪輞及輪轂這些不可能發生疲勞破壞的區域不作重點研究，粗分網格，減少計算量。

材料彈性模量取206GPa，泊松比取0.3。約束輪輞下輪緣的全部自由度。建立加載盤模擬輪轂和固定螺栓直接加載彎矩到加載盤上。螺栓預緊力對車輪有極大的影響，但不畫出螺紋，因為螺紋不是分析的重點。

接觸設定：加載盤底面與輪輻接觸，加載盤頂面與螺栓頭底面接觸，螺母底面與輪輻接觸，由于不考慮螺栓、螺母的螺紋問題，故使用綁定約束將二者綁定。同時還要考慮在受力過程中螺栓桿面可能會與輪輻孔，以及加載盤孔內壁接觸，這些地方都設了接觸。

約束條件：約束輪輞下輪緣的全部自由度，使用ENCA -STRE。

載荷施加：先設定參考點，用運動耦合約束將參考點與加載盤面綁定。再在參考點上施加集中彎矩31.25kN.m。

螺栓預緊力施加：按螺栓定扭 550N.m，折算預緊力為159600N。

2、有限元計算結果分析

從車輪Mises應力圖中可知，最大應力390Mpa，出現在螺栓連接處，散熱孔周圍最大應力 260Mpa。最大位移出現在車輪最前端，為7.3mm。

由上述分析可得，此車輪不滿足使用強度，需要進行優化改進。

3、改進措施

根據有限元分析計算得出的數據得知，車輪底部之所以出現應力集中，是因為輪輻過于薄弱可在其上適當加上加強筋，共兩種方式，改進后模型如下圖。

改進1型車輪的應力得到明顯增大，在螺栓安裝面內，應力集中在折彎處最大應力為 585Mpa，散熱孔周圍最大應力382Mpa。

改進2型車輪的應力得到明顯改善，最大應力集中在螺栓安裝處，為242Mpa，散熱孔周圍應力相對較好約180Mpa，其它部位應力分布均勻。最大應力未超出材料屈服極限，強度滿足使用要求。

由上述數據可見：

（1）有效控制應力幅值是提高車輪強度的途徑之一。

（2）預測的強度值普遍較低。因為結構強度的預測是建立在理想狀態下力學仿真分析基礎上，忽略了實際制造過程中產生的疏松、針孔等現象，此類缺陷會削弱結構的力學性能，導致強度的降低。

（3）同一個規格不同結構的車輪，其強度性能可以相差甚遠，由此可見結構優化對提高結構強度的有著很大的影響。

表1 車輪改進前后最大應力情況

4、結論

通過上面用ABAQUS對車輪進行有限元理論分析并改進，形成如下結論：

1.分析結果表明優化后的車輪完全滿足用戶使用要求；

2.應用CAD/CAE軟件等分析，提高了產品設計的準確率，少走彎路，大大縮短了新產品開發周期；

3.上述的分析方法僅僅是對車輪進行靜態狀態下的理論計算，但對車輪的疲勞強度沒有分析，這是我們下一步所要做的課題。

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Optimized Design of Wheel Based on ABAQUS Finite Element Method

Liu Jun, Chen Zhengjiang
(Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230022)

According to the special conditions, the wheels according to the wheels by ABAQUS bending test, a finite element model, through the analysis to find the problem, and the optimization design of the wheel, can satisfy the demands strength.

wheels；Finite element analysis；optimize

U463.34

A

1671-7988(2015)05-28-03

劉軍，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。