基于有限元分析的輪輻輕量化設計

陶金

摘 要：為了更好的指導車輪輪輻結構優化設計，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，從分析結果的應力分布、應力值大小、制造工藝以及成本方面進行判斷哪種輪輻形狀設計更適合實際應用要求。

關鍵詞：工程機械車輪;成形輪輻;輕量化;有限元分析;FEA對比

前 言

我國國內的工程機械近幾年來保有量數據一直很穩健，車輛設備廠商為了提高市場競爭力，往往會致力于強化設備的行車安全性、產品質量的穩定性以及經濟性。車輪，是整車中最重要的結構件之一，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，可能會導致構件過于疲勞而出現損傷或失效等問題。因此，人們在設計車輪時，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，在關注安全性的同時，國內全地面起重機也開始關注整車設備的重量，希望整車的重量可以得到減輕優化，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，車輪行業里對全地面起重機車輪輪輻的設計均采用直板結構，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構進行優化分析，減輕重量。

一、輪輻不同幾何結構對比分析

1）傳統的輪輻形狀

2）優化的輪輻形狀

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化，采用成形輪輻，局部加強輪輻的強度，改變應力分布。

二、輪輻結構分析及驗證步驟：

為了確認提出優化的這個結構2（圖2）是否比結構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我們的分析結果：

1）確定輪輻在使用過程中的高應力區域以確定著重分析的區域

2）采用FEA對高應力區域進行對比分析

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行強化試驗

三、各步驟的分析情況

1）高應力區域確定：我們采用Creo進行車輪模型建模，用ANSYSWORKBENCH來模擬輪輻彎曲疲勞試驗，對輪輻施加一個遠端的力，然后通過云圖查看輪輻的高應力區域。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/車橋區域的應力是最大的，這里是輪輻失效的最主要的區域，因此我們將要關注和分析優化的輪輻此區域的應力情況。

2）FEA模擬對比分析：我們將用ANSYSWORKBENCH對圖1和圖2的輪輻結構進行相同的網格劃分，然后加載相同的彎矩，然后對比輪輻兩側高應力區域的應力分步情況。

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

3）整機實際工況及強化測試驗證：把結構2的車輪裝在整機上，然后按客戶整機的測試標準進行測試，新結構的輪輻車輪通過了主機的測試驗證。

從以上FEA分析結果和實際測試結果來看，優化后的結構2的應力水平低于優化前的結構1的應力水平，并通過了主機的測試驗證，因此此優化方案結構2可行，此結構可以推廣到相似的應用中去。

結束語

現在經過分析及驗證，用成形輪輻替代直板輪輻，不但能夠得到比直板輪輻設計還要低的應力，還簡化了生產工藝、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

[1] 客戶端的測試報告

[2] 閆勝咎，童水光，鐘翠霞，朱訓明，王樹山-基于FEA的車輪結構形狀優化設計，機械設計.浙江大學，1001-2354（2009）01-0053-03.