有限元分析中網(wǎng)格劃分對輪合金輪轂強(qiáng)度分析的影響

許素娟

摘要：計算機(jī)技術(shù)和仿真軟件的進(jìn)步，在整個機(jī)械行業(yè)中的作用正在不斷凸顯出來，作為新時期的軟件技術(shù)，ANSYS有限元分析系統(tǒng)有力的推動了鋁合金輪轂行業(yè)的發(fā)展。ANSYS有限元分析使鋁合金輪轂在開發(fā)過程中形成了結(jié)構(gòu)分析和強(qiáng)度改進(jìn)的閉環(huán)系統(tǒng)。針對公司為某客戶生產(chǎn)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(wǎng)格劃分進(jìn)行改進(jìn)，虛擬沖擊臺架試驗，通過分析結(jié)果，結(jié)合實際車輪試驗失效情況，對車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了修改，修改后車輪順利通過了13度沖擊試驗。

關(guān)鍵詞：鋁合金輪轂;沖擊試驗;有限元分析;網(wǎng)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(wěn)定性有著重大的影響。鋁合金輪轂批量生產(chǎn)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(rèn)車輪的安全性。為了優(yōu)化輪轂結(jié)構(gòu)、縮短輪轂的試驗周期以及提高輪轂的生產(chǎn)質(zhì)量并降低研發(fā)成本，各輪轂企業(yè)紛紛引入仿真模擬技術(shù)，為產(chǎn)品前期研發(fā)提供理論支持。ANSYS有限元分析系統(tǒng)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(chǎn)品試驗和優(yōu)化的次數(shù)。

1? 13度沖擊虛擬沖擊臺架試驗

對輪轂?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行網(wǎng)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(jù)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?zāi)Ｐ秃喕豢紤]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(jié)果，如圖1所示。

2? 試驗驗證

試驗失效判斷準(zhǔn)則：實驗中不能出現(xiàn)穿透性裂紋（通過染色浸透探傷法進(jìn)行檢查）、輪輞和輪輻脫離以及漏氣等現(xiàn)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(xiàn)象是指輪胎內(nèi)部胎壓在1 min內(nèi)全部漏光的情況。按照試驗參數(shù)對此款輪轂進(jìn)行13度沖擊試驗，輪轂表面出現(xiàn)穿透性裂紋。裂紋位置在窗口內(nèi)側(cè)輪輻處，如圖2所示。

3? 失效結(jié)果分析及根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)圖2中，沖擊后失效位置為輪輻內(nèi)側(cè)通風(fēng)孔處，實際失效破壞位置與分析結(jié)果相同，說明ANSYS分析對實驗弱點有切合實際的指導(dǎo)作用。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，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(xì)輪輻的輪轂在進(jìn)行網(wǎng)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(wǎng)格，再次進(jìn)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(jié)果，如圖3所示，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，分析結(jié)果不合格。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)，輪輻法蘭盤處失效原因可能是因產(chǎn)品此部位較薄，強(qiáng)度弱，沖擊時產(chǎn)生變形較大，導(dǎo)致此部分?jǐn)嗔选８鶕?jù)弱點位置，改進(jìn)輪轂結(jié)構(gòu)，修改前、后車輪結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4? 改后分析驗證

修改后再次進(jìn)行分析，本次網(wǎng)格劃分仍舊定為5mm，計算分析結(jié)果如圖5所示，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，分析結(jié)果合格。

根據(jù)計算結(jié)果，對輪轂?zāi)＞哌M(jìn)行修改并改進(jìn)產(chǎn)品，使用原生產(chǎn)過程工藝，再次生產(chǎn)出新輪轂產(chǎn)品，順利通過13度沖擊試驗，進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。

5? 分析方法改進(jìn)后推進(jìn)

在相似輪型1985開發(fā)時，基于上述經(jīng)驗，13度強(qiáng)度分析時，網(wǎng)格劃分定為5mm，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)至分析結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品首次上線驗證，13度沖擊試驗，1985產(chǎn)品一次性合格。

在有限元分析時，網(wǎng)格劃分在分析結(jié)果體現(xiàn)，網(wǎng)格越小，分析結(jié)果越精確。但網(wǎng)格劃分的越小，對電腦及模型質(zhì)量的要求越高，分析過程越慢。

6? 結(jié)論

①鋁合金輪轂的強(qiáng)度性能與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相關(guān)。采用有限元分析軟件，可很好地指導(dǎo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進(jìn)。②有限元分析時，網(wǎng)格劃分大小對強(qiáng)度分析結(jié)果有較大影響，在模型質(zhì)量允許、電腦質(zhì)量能夠滿足時，將網(wǎng)格劃分為5mm，可提高分析精度，達(dá)到更滿意的分析效果。

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