鋁合金輪轂UG建模和ANSYS有限元應力分析

趙滿玲 儀登利 閆紹峰

1.錦州市機電工程學校 121003；2.遼寧工業大學 121001

鋁合金輪轂UG建模和ANSYS有限元應力分析

趙滿玲1儀登利2閆紹峰2

1.錦州市機電工程學校 121003；2.遼寧工業大學 121001

基于CAD軟件UG進行鋁合金輪轂的三維建模，以幅板厚度和兩幅板間夾角為變化量，建立了不同結構尺寸和形狀的鋁合金車輪模型。通過對有限元計算結果的分析，找到了幅板厚度和兩幅板間夾角的最佳范圍。結果表明：該方法可縮短設計周期，降低成本，對工程應用有一定的實用價值。

UG建模；鋁合金輪轂；ANSYS；有限元

隨著汽車工業的迅猛的發展，鋁合金輪轂的應用越來越普遍。鋁合金輪轂具有重量輕，降低油耗；散熱性好，提高輪胎壽命；緩沖和吸震性好；造型美觀，易加工，耐腐蝕等優點。但我國鋁合金車輪行業普遍存在設計周期長，制造成本高等現狀。因此采用先進的三維CAD軟件和大型CAE 軟件對汽車鋁合金輪轂進行結構設計，有利于縮短設計周期，提高產品質量。

UG是應用最廣泛的大型工程CAD軟件之一,具有強大的建模功能，尤其是曲面造型功能強大；ANSYS是一款大型的通用CAE軟件，其有限元分析功能強大。基于上述考慮，將UG和ANSYS兩個軟件結合起來，在UG中構建鋁合金輪轂的幾何模型，在ANSYS中對模型進行有限元分析。

1. UG建模

圖1 B=50°車輪模型 圖2T=10mm車輪模型Fig.1B=50°Wheel model Fig. 2T=10mm Wheel model

U G建模在Windows 2000、WindowsXP系統平臺上安裝UG軟件并運行，進入主界面，建立新文件即可使用。分別以幅板厚度T和兩幅板間夾角B為參數建立了鋁合金車輪的參數化模型，以得到不同結構尺寸和形狀的鋁合金車輪。其步驟如下：

1.1 進入草圖編輯器，用樣條曲線畫出輪輞的輪廓線，選擇插入＞偏置曲線，在彈出的偏置曲線對話框中設置偏置距離，確定輪輞厚度然后退出草圖。

1.2 選擇,回轉命令，旋轉角度為360°，生成輪輞實體。

1.3 進入草圖環境，建立車輪輪輻和輪轂輪廓線。利用旋轉、陣列等命令，創建輪輻和輪轂。

1.4 用求和對話框，實現輪輞和輪幅的結合統一。

1.5 選擇工具菜單中的表達式功能，實現車輪的參數化設計。設置兩個變量，一為幅板厚度T,另一為兩幅板間夾角B。

1.6 在工具菜單中可視化編輯器中，通過改變T和B的值，建立不同結構尺寸和形狀的車輪模型，形成模型庫。部分模型如圖1和圖2所示。

2 有限元應力分析

2.1 應力分析

保持幅板間夾角不變，對幅板不同厚度的鋁合金車輪進行應力計算。Colour Plot云圖如圖3所示。從云圖顯示應力結果上看，最大應力值出現在幅板根部，這與實際沖擊試驗時幅板根部常發生斷裂的結果一致；保持幅板厚度不變，對幅板間不同夾角的鋁合金車輪進行應力計算。Colour Plot云圖如圖4所示。從云圖顯示應力結果上看，最大應力值出現在幅板根部，這也與實際試驗結果一致。

圖3 應力云圖Fig.3Stress nephogram

圖4 應力云圖Fig.4Stress nephogram

2.2 不同條件下應力計算結果

2.3 應力結果分析

將表1和表2結果分別繪制成圖5和圖6，并與鋁合金材料的許用應力值作比較：由圖5可知，幅板厚度在16＜T≤20范圍時，車輪的最大應力值小于鋁合金材料的許用應力240MPa，此時車輪達到強度要求，為了滿足材料較省（幅板厚度值小），同時車輪的最大應力值還較小兩個條件，幅板厚度的最佳范圍為18mm至20mm之間；由圖6可知，幅板間夾角在50°至60°范圍內變化時，夾角越大，車輪的應力值越小，車輪越安全。當兩幅板間夾角為60°時，車輪的最大應力值最小，車輪是最安全的。因此，幅板間夾角的最佳范圍為53°至60°。

圖5 不同幅板厚度的車輪應力Fig.5 Calculation stress of different former’s thickness

圖6 不同幅板間夾角的車輪應力Fig.6Calculation stress of different former’s included angle

3 結語

3.1 利用UG軟件的表達式功能和可編輯器，可快速準確的進行鋁合金車輪的參數化建模。對于曲面較多、結構復雜的車輪可用UG軟件的特征造型、旋轉、拉伸、陣列和布爾操作等命令輕松實現幾何造型。

3.2 利用ANSYS軟件建立基于沖擊試驗條件下的車輪的受力模型，并進行靜強度計算。找到車輪的最危險位置，計算結果與實際試驗結果基本吻合，說明有限元分析是正確性，應力計算結果是可靠的。

表1 不同幅板厚的車輪應力計算結果Tab.1Calculation stress of different former’s thickness

表2 不同幅板間夾角的車輪應力計算結果Tab.2Calculation stress of different former’s included angle

3.3運用CAD造型軟件UG建立鋁合金車輪的參數化模型，利用有限元分析軟件ANSYS對鋁合金車輪進行強度分析，設計者可以在車輪未生產出來之前就對車輪的應力狀態有了較明確的認識，可減少設計的盲目性、縮短設計周期、降低生產成本，為企業帶來巨大的經濟效益。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.078