基于有限元分析的輪輻輕量化設(shè)計

陶金

摘 要：為了更好的指導(dǎo)車輪輪輻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，采用Creo三維軟件建立不同的輪輻形狀模型，并采用ANSYSWorkbench對不同輪輻形狀模型加載相同的力，從分析結(jié)果的應(yīng)力分布、應(yīng)力值大小、制造工藝以及成本方面進(jìn)行判斷哪種輪輻形狀設(shè)計更適合實際應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：工程機械車輪;成形輪輻;輕量化;有限元分析;FEA對比

前 言

我國國內(nèi)的工程機械近幾年來保有量數(shù)據(jù)一直很穩(wěn)健，車輛設(shè)備廠商為了提高市場競爭力，往往會致力于強化設(shè)備的行車安全性、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性。車輪，是整車中最重要的結(jié)構(gòu)件之一，也是最重要的安全件之一，作為全地面起重機的安全件，在長時間、高速下的變幅荷載作用下，可能會導(dǎo)致構(gòu)件過于疲勞而出現(xiàn)損傷或失效等問題。因此，人們在設(shè)計車輪時，都會把車輪的強度作為一個特別重要的因素來考慮。但近些年來，在關(guān)注安全性的同時，國內(nèi)全地面起重機也開始關(guān)注整車設(shè)備的重量，希望整車的重量可以得到減輕優(yōu)化，降低車輛油耗，對車輪這個安全部件同樣有輕量化的需求。

在過去很長一段時間里，車輪行業(yè)里對全地面起重機車輪輪輻的設(shè)計均采用直板結(jié)構(gòu)，板厚比較厚，重量較重，下面我們來對一款全地面起重機的車輪輪輻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，減輕重量。

一、輪輻不同幾何結(jié)構(gòu)對比分析

1）傳統(tǒng)的輪輻形狀

2）優(yōu)化的輪輻形狀

為了減少重量，同時又不減低輪輞的強度，提出一個輪輻形狀的優(yōu)化，采用成形輪輻，局部加強輪輻的強度，改變應(yīng)力分布。

二、輪輻結(jié)構(gòu)分析及驗證步驟：

為了確認(rèn)提出優(yōu)化的這個結(jié)構(gòu)2（圖2）是否比結(jié)構(gòu)1（圖1）好，我們需要做一些有限元分析和實地測試驗證來確認(rèn)我們的分析結(jié)果：

1）確定輪輻在使用過程中的高應(yīng)力區(qū)域以確定著重分析的區(qū)域

2）采用FEA對高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行對比分析

3）制造車輪樣件，安裝到整車上，然后整車在客戶端及測試場進(jìn)行強化試驗

三、各步驟的分析情況

1）高應(yīng)力區(qū)域確定：我們采用Creo進(jìn)行車輪模型建模，用ANSYSWORKBENCH來模擬輪輻彎曲疲勞試驗，對輪輻施加一個遠(yuǎn)端的力，然后通過云圖查看輪輻的高應(yīng)力區(qū)域。從下圖我們可以看到在施加力（紅色箭頭是加載力）后，輪輻上螺母/車橋區(qū)域的應(yīng)力是最大的，這里是輪輻失效的最主要的區(qū)域，因此我們將要關(guān)注和分析優(yōu)化的輪輻此區(qū)域的應(yīng)力情況。

2）FEA模擬對比分析：我們將用ANSYSWORKBENCH對圖1和圖2的輪輻結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同的網(wǎng)格劃分，然后加載相同的彎矩，然后對比輪輻兩側(cè)高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力分步情況。

從上面FEA應(yīng)力云圖和下表1的數(shù)據(jù)對比可以看到，結(jié)構(gòu)2（圖8、9）的最大主應(yīng)力和應(yīng)力范圍均比結(jié)構(gòu)1（圖6、7）的要小，因此可以判斷結(jié)構(gòu)2的應(yīng)力分布比結(jié)構(gòu)2好，有機會把輪輻結(jié)構(gòu)形狀從結(jié)構(gòu)1優(yōu)化成結(jié)構(gòu)2，降低車輪重量及成本。

3）整機實際工況及強化測試驗證：把結(jié)構(gòu)2的車輪裝在整機上，然后按客戶整機的測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，新結(jié)構(gòu)的輪輻車輪通過了主機的測試驗證。

從以上FEA分析結(jié)果和實際測試結(jié)果來看，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)2的應(yīng)力水平低于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)1的應(yīng)力水平，并通過了主機的測試驗證，因此此優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)2可行，此結(jié)構(gòu)可以推廣到相似的應(yīng)用中去。

結(jié)束語

現(xiàn)在經(jīng)過分析及驗證，用成形輪輻替代直板輪輻，不但能夠得到比直板輪輻設(shè)計還要低的應(yīng)力，還簡化了生產(chǎn)工藝、減輕了車輪重量、減低了成本，對整機而言，也降低了整機重量和油耗。

參考文獻(xiàn)

[1] 客戶端的測試報告

[2] 閆勝咎，童水光，鐘翠霞，朱訓(xùn)明，王樹山-基于FEA的車輪結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計，機械設(shè)計.浙江大學(xué)，1001-2354（2009）01-0053-03.