有限元分析中網格劃分對輪合金輪轂強度分析的影響

許素娟

摘要：計算機技術和仿真軟件的進步，在整個機械行業中的作用正在不斷凸顯出來，作為新時期的軟件技術，ANSYS有限元分析系統有力的推動了鋁合金輪轂行業的發展。ANSYS有限元分析使鋁合金輪轂在開發過程中形成了結構分析和強度改進的閉環系統。針對公司為某客戶生產的一款鋁合金輪轂在試制時13度沖擊試驗時失效情況，對有限元分析軟件中的網格劃分進行改進，虛擬沖擊臺架試驗，通過分析結果，結合實際車輪試驗失效情況，對車輪結構參數進行了修改，修改后車輪順利通過了13度沖擊試驗。

關鍵詞：鋁合金輪轂;沖擊試驗;有限元分析;網格劃分

0? 引言

鋁合金輪轂是汽車重要的安全件。對汽車的行駛安全性和操縱穩定性有著重大的影響。鋁合金輪轂批量生產前必須通過沖擊試驗、彎曲疲勞試驗、徑向疲勞試驗驗證，且驗證合格，以此來確認車輪的安全性。為了優化輪轂結構、縮短輪轂的試驗周期以及提高輪轂的生產質量并降低研發成本，各輪轂企業紛紛引入仿真模擬技術，為產品前期研發提供理論支持。ANSYS有限元分析系統具有非常全面的分析功能。鋁合金輪轂必須通過的沖擊試驗、彎曲疲勞試驗、徑向疲勞試驗都能夠有效分析，成功減少新產品試驗和優化的次數。

1? 13度沖擊虛擬沖擊臺架試驗

對輪轂模型進行網格劃分，單元大小選為10mm，將輪轂與安裝盤的接觸面固定，約束其自由度。沖塊與輪轂上表面間建立接觸面。根據試驗沖擊載荷，對接觸面施力。（考慮到帶有輪胎模型計算時間較長，所以將試驗模型簡化，不考慮輪胎及充氣壓力對載荷的影響，從而簡化模型縮短分析時間。）分析結果，如圖1所示。

2? 試驗驗證

試驗失效判斷準則：實驗中不能出現穿透性裂紋（通過染色浸透探傷法進行檢查）、輪輞和輪輻脫離以及漏氣等現象（實驗中沖錘與輪轂直接接觸造成的損傷、變形等不作為判斷的對象）。上述的漏氣現象是指輪胎內部胎壓在1 min內全部漏光的情況。按照試驗參數對此款輪轂進行13度沖擊試驗，輪轂表面出現穿透性裂紋。裂紋位置在窗口內側輪輻處，如圖2所示。

3? 失效結果分析及根據技術指標，結構改進

根據圖2中，沖擊后失效位置為輪輻內側通風孔處，實際失效破壞位置與分析結果相同，說明ANSYS分析對實驗弱點有切合實際的指導作用。

根據技術指標，分析合格而實際驗證時不合格，重新審視我們的分析過程。對此細輪輻的輪轂在進行網格劃分時，將單元格大小選定為10 mm，可能不適用。重新定義輪轂網格，再次進行分析，本次定為5mm，重新計算分析，得到與單元格為10mm時，不一樣的分析結果，如圖3所示，根據技術指標，分析結果不合格。

結構改進，輪輻法蘭盤處失效原因可能是因產品此部位較薄，強度弱，沖擊時產生變形較大，導致此部分斷裂。根據弱點位置，改進輪轂結構，修改前、后車輪結構如圖4所示。

4? 改后分析驗證

修改后再次進行分析，本次網格劃分仍舊定為5mm，計算分析結果如圖5所示，根據技術指標，分析結果合格。

根據計算結果，對輪轂模具進行修改并改進產品，使用原生產過程工藝，再次生產出新輪轂產品，順利通過13度沖擊試驗，進入批量生產階段。

5? 分析方法改進后推進

在相似輪型1985開發時，基于上述經驗，13度強度分析時，網格劃分定為5mm，調整產品結構至分析結果滿足技術指標，確定產品結構。產品首次上線驗證，13度沖擊試驗，1985產品一次性合格。

在有限元分析時，網格劃分在分析結果體現，網格越小，分析結果越精確。但網格劃分的越小，對電腦及模型質量的要求越高，分析過程越慢。

6? 結論

①鋁合金輪轂的強度性能與產品結構相關。采用有限元分析軟件，可很好地指導產品結構改進。②有限元分析時，網格劃分大小對強度分析結果有較大影響，在模型質量允許、電腦質量能夠滿足時，將網格劃分為5mm，可提高分析精度，達到更滿意的分析效果。

參考文獻：

[1]臧孟炎，秦滔.鋁合金車輪13°沖擊試驗仿真分析[J].機械工程學報，2010，46（2）：83-87.

[2]閆勝咎，童水光，朱訓明.鋁合金車輪沖擊試驗有限元分析[J].華電技術，2007，29（8）：24-27.