发布时间 : 星期六 文章基于UG的“凤舞”汽车轮毂 三维建模及有限元应力分析 - 图文更新完毕开始阅读bf6306123968011ca3009177
华侨大学本科毕业设计论文 凤舞汽车轮毂的径向疲劳分析
准要求车轮在试验载荷下经历规定的疲劳循环次数后，不能有侵入车轮断面的可见裂纹等破坏现象出现，车轮应能够继续承受汽车负荷并且保持规定的气压。
试验时，给车轮安装上轮胎，轮胎额定载荷至少应等于车轮的标注值。车轮在试验装置(见图4.2)上安装的方法与车轮在车辆上的安装方法相同，图4.3所示为车轮径向疲劳试验原理图。在施加径向载荷的同时，要使转鼓旋转。试验前的轮胎气压(单位:)至少应相当于被试验轮胎的最大设计载荷气压。
图4.2 车轮径向疲劳试验
图4.3 车轮径向疲劳试验原理图
4.2.2车轮径向载荷计算
国标GB/T5334-2005规定乘用汽车车轮径向载荷用牛顿（N）计量，由下式确定：
Fr?Fv?K （4.1） 式中：Fr——径向载荷，N；
Fv——车轮额定负荷即车轮或汽车制造厂规定的车轮上的最大垂直静负载荷，N；
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K ——强化实验系数。
4.3 凤舞汽车轮毂径向疲劳仿真过程【37】
(l)创建有限元分析模型，选择求解器为 NX Nastran，分析类型为结构分析 (2)创建理想化部件文件。为了减少分析时间，提高分析效率，分析中可以忽略较小的细节特征。因此，移除半径小于5mm的倒圆角。对轮辋上胎圈座表面部分进行面分割，以利于模型的载荷加载。
(3)创建有限元模型文件，对模型进行材料参数设置和网格划分。 (4)施加载荷和约束，并进行求解。 (5)对结果进行分析。 4.3.1材料参数
本研究所采用材料为铝合金A356，其材料参数见表4.1。
表4.1 铝合金A356材料参数
密度ρ杨氏模量E(MPa） 泊松比 屈服强度极限抗拉强 （g/cm3）2.67
?s(MPa） 229 ?b(MPa） 263 7?104 0.33 疲劳极限??1的计算公式如下
（0.4~0.48）??b （4.2） ??1?
则??1=（105.2~126.24）MPa， 取??1?120MPa 4.3.2网格划分
网格划分是创建有限元模型的一个重要环节，直接影响有限元分析的计算精度和计算规模。影响网格划分质量的因素主要有网格疏密，单元类型，网格数量等。
网格疏密是指模型结构中不同部位的网格大小不同，划分原则为:在计算数据变化梯度较大的部位，将网格划分地较密集些;在计算数据变化梯度较小的部位，将网格划分地相对稀疏些。这样既可以提高计算精度又可以减小计算规模，提高计算效率。对所设计的汽车轮毂进行网格划分时，在应力集中处(截面形状变化较大的部位)网格单元小，相对密集。
在三维空间中，常用的网格单元类型有四面体、六面体、曲边四面体和曲边六面体等。不同类型的网格单元的阶次不同，四节点四面体和八节点六面体是一阶单元，曲边四面体和曲边六面体单元为高阶单元(单元阶次为二次或三次)。由于高阶单元的曲线或曲面边界能够很好地逼近模型结构的曲线和曲面边界，并且高次插值函数能够更好地逼近各种复杂的场函数。因此，当模型结构形状不规则，
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应力分布较为复杂时，应该选择高阶单元类型。由于所设一计的铝合金汽车轮辋的结构不均匀，模型中不同区域的厚度不一样，且存在较多曲面，不适宜用一阶单元进行网格划分。在本仿真中轮毂采用分开建模，为了使轮辋与轮辐之间的连接单元的网格形成金字塔结构，因此轮辋与轮辐要采用不同的网格划分方式，本文轮辋采用3D扫掠网格划分方式，这样能够方便径向载荷的加载。轮幅采用十节点四面体网格划分方式，轮辋与轮辐之间以金字塔单元过渡。
利用 UG NX7.5对所设计的凤舞铝合金汽车轮毂模型进行网格划分后： 部件中的单元总数： 21075 部件中的节点总数： 81873 八节点四边形单元数： 167 六节点三角形单元数： 15 十节点四面体单元数： 6997 二十节点六面体单元数： 12024 十五节点楔形体单元数： 1080 十三节点金字塔单元的数目： 792 模型的网格如图4.4所示。
图4.4凤舞汽车轮毂有限元模型图
4.3.3载荷和约束【38】
车轮在汽车静止时起到支撑作用，假定汽车满载时的总质量为2500Kg，则在汽车静止时每一个车轮受到的承载力F=6250N。支撑力通过轮胎传递给轮毂，
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轮毂受到的支撑力分布在轮辋上胎圈座部分。轮胎施加在轮毂上胎圈座部分的支撑力分布情况比较复杂，主要分布在轮毂的下部靠近地面的部分。本研究中轮毂受到的支撑力分布区域取在轮毂胎圈座下部弧度为2π/3的弧面上。径向载荷疲劳试验的有限元分析模型中必须考虑充气压力的影响，因此，本文接下来的分析中在考虑径向载荷作用的同时，将考虑充气压力的作用。根据车轮径向载荷疲劳试验的工作原理，对车轮结构在安装盘面和螺栓孔锥面施加全约束，在一定范围(120°角)内的轮辋胎圈座上施加呈余弦函数分布的径向载荷，并在胎圈座间轮辋上施加充气压力0.25MPa。实际装车和试验时都是取其3个PCD螺栓孔进行固定，所以约束也仅施加在其3个PCD孔的锥面和安装盘面上，全约束这些面的6个自由度。其中径向载荷加载函数计算公式如下：
q1?F（cos??cos?0) （4.3）
2b1r12sin?0F（cos??cos?0) （4.4） q2?2b2r22sin?0其中，F为试验要求径向载荷，b1，b2分别为内、外轮辋胎圈座宽度，r1、
r2分别为内、外轮辋胎圈座半径，?0为加载范围的一半，即120°的1／2，等
于60°。充气压力为实际试验时装胎车轮的轮胎充气压力，对本算例，其值为2.5Bar，即250kPa。
本文中单个车轮的最大额定载荷为6250N，由“乘用车车轮性能要求和实验方法”可得强化试验系数K=1.6，由式3.1计算得车轮径向试验载荷为10000N。由CAD图可以得到b1=22mm,b2=21.69mm,r1=201mm,r2=201mm。则代入公式3.3,3.4可得：
q1?0.6528?（cos?????）MPa （4.5） q1?0.6528?（cos?????）MPa （4.6）
表4.2 轮辋左、右侧的单元压力值（单位：MPa）
i Fi(N) 1 0 10 0.3042 19 0.2389 2 0.0480 11 0.3165 20 0.2083 3 0.0932 12 0.3239 21 0.1737 4 0.1352 13 0.3264 22 0.1352 5 0.1737 14 0.3239 23 0.0932 6 0.2083 15 0.3165 24 0.0480 7 0.2389 16 0.3042 25 0 8 0.2652 17 0.2870 9 0.2870 18 0.2652 i Fi(N) i Fi(N) 23