鋁合金輪轂UG建模和ANSYS有限元應(yīng)力分析

趙滿玲 儀登利 閆紹峰

1.錦州市機(jī)電工程學(xué)校 121003；2.遼寧工業(yè)大學(xué) 121001

鋁合金輪轂UG建模和ANSYS有限元應(yīng)力分析

趙滿玲1儀登利2閆紹峰2

1.錦州市機(jī)電工程學(xué)校 121003；2.遼寧工業(yè)大學(xué) 121001

基于CAD軟件UG進(jìn)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(jié)構(gòu)尺寸和形狀的鋁合金車輪模型。通過對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的分析，找到了幅板厚度和兩幅板間夾角的最佳范圍。結(jié)果表明：該方法可縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本，對(duì)工程應(yīng)用有一定的實(shí)用價(jià)值。

UG建模；鋁合金輪轂；ANSYS；有限元

隨著汽車工業(yè)的迅猛的發(fā)展，鋁合金輪轂的應(yīng)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(yōu)點(diǎn)。但我國鋁合金車輪行業(yè)普遍存在設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，制造成本高等現(xiàn)狀。因此采用先進(jìn)的三維CAD軟件和大型CAE 軟件對(duì)汽車鋁合金輪轂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于縮短設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

UG是應(yīng)用最廣泛的大型工程CAD軟件之一,具有強(qiáng)大的建模功能，尤其是曲面造型功能強(qiáng)大；ANSYS是一款大型的通用CAE軟件，其有限元分析功能強(qiáng)大。基于上述考慮，將UG和ANSYS兩個(gè)軟件結(jié)合起來，在UG中構(gòu)建鋁合金輪轂的幾何模型，在ANSYS中對(duì)模型進(jìn)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(tǒng)平臺(tái)上安裝UG軟件并運(yùn)行，進(jìn)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(shù)建立了鋁合金車輪的參數(shù)化模型，以得到不同結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的鋁合金車輪。其步驟如下：

1.1 進(jìn)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(duì)話框中設(shè)置偏置距離，確定輪輞厚度然后退出草圖。

1.2 選擇,回轉(zhuǎn)命令，旋轉(zhuǎn)角度為360°，生成輪輞實(shí)體。

1.3 進(jìn)入草圖環(huán)境，建立車輪輪輻和輪轂輪廓線。利用旋轉(zhuǎn)、陣列等命令，創(chuàng)建輪輻和輪轂。

1.4 用求和對(duì)話框，實(shí)現(xiàn)輪輞和輪幅的結(jié)合統(tǒng)一。

1.5 選擇工具菜單中的表達(dá)式功能，實(shí)現(xiàn)車輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)。設(shè)置兩個(gè)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(jié)構(gòu)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(yīng)力分析

2.1 應(yīng)力分析

保持幅板間夾角不變，對(duì)幅板不同厚度的鋁合金車輪進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。Colour Plot云圖如圖3所示。從云圖顯示應(yīng)力結(jié)果上看，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在幅板根部，這與實(shí)際沖擊試驗(yàn)時(shí)幅板根部常發(fā)生斷裂的結(jié)果一致；保持幅板厚度不變，對(duì)幅板間不同夾角的鋁合金車輪進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。Colour Plot云圖如圖4所示。從云圖顯示應(yīng)力結(jié)果上看，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在幅板根部，這也與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖3 應(yīng)力云圖Fig.3Stress nephogram

圖4 應(yīng)力云圖Fig.4Stress nephogram

2.2 不同條件下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.3 應(yīng)力結(jié)果分析

將表1和表2結(jié)果分別繪制成圖5和圖6，并與鋁合金材料的許用應(yīng)力值作比較：由圖5可知，幅板厚度在16＜T≤20范圍時(shí)，車輪的最大應(yīng)力值小于鋁合金材料的許用應(yīng)力240MPa，此時(shí)車輪達(dá)到強(qiáng)度要求，為了滿足材料較?。ǚ搴穸戎敌。?，同時(shí)車輪的最大應(yīng)力值還較小兩個(gè)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(nèi)變化時(shí)，夾角越大，車輪的應(yīng)力值越小，車輪越安全。當(dāng)兩幅板間夾角為60°時(shí)，車輪的最大應(yīng)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(yīng)力Fig.5 Calculation stress of different former’s thickness

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

3 結(jié)語

3.1 利用UG軟件的表達(dá)式功能和可編輯器，可快速準(zhǔn)確的進(jìn)行鋁合金車輪的參數(shù)化建模。對(duì)于曲面較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的車輪可用UG軟件的特征造型、旋轉(zhuǎn)、拉伸、陣列和布爾操作等命令輕松實(shí)現(xiàn)幾何造型。

3.2 利用ANSYS軟件建立基于沖擊試驗(yàn)條件下的車輪的受力模型，并進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算。找到車輪的最危險(xiǎn)位置，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明有限元分析是正確性，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果是可靠的。

表1 不同幅板厚的車輪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.1Calculation stress of different former’s thickness

表2 不同幅板間夾角的車輪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.2Calculation stress of different former’s included angle

3.3運(yùn)用CAD造型軟件UG建立鋁合金車輪的參數(shù)化模型，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)鋁合金車輪進(jìn)行強(qiáng)度分析，設(shè)計(jì)者可以在車輪未生產(chǎn)出來之前就對(duì)車輪的應(yīng)力狀態(tài)有了較明確的認(rèn)識(shí)，可減少設(shè)計(jì)的盲目性、縮短設(shè)計(jì)周期、降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 趙震偉，王波，王霄峰，管迪華.應(yīng)用有限元軟件指導(dǎo)車輪的結(jié)構(gòu)改進(jìn).機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2000，5：27—28

[2] 趙震偉.鋼圈彎曲強(qiáng)度的分析和試驗(yàn)方法研究. 北京：清華大學(xué)出版社，2000

[3] 王立輝.鋁合金車輪的強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì).河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2002

[4] GB/T221-1997.汽車輕合金車輪的性能要求和試驗(yàn)方法.北京，中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部，1997

[5]. 臧孟炎,秦滔 .鋁合金車輪強(qiáng)度有限元分析研究.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9(2）：382～385

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.078