基于有限元分析的輪輻輕量化設(shè)計(jì)

陶金

摘 要：為了更好的指導(dǎo)車(chē)輪輪輻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用Creo三維軟件建立不同的輪輻形狀模型，并采用ANSYSWorkbench對(duì)不同輪輻形狀模型加載相同的力，從分析結(jié)果的應(yīng)力分布、應(yīng)力值大小、制造工藝以及成本方面進(jìn)行判斷哪種輪輻形狀設(shè)計(jì)更適合實(shí)際應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械車(chē)輪;成形輪輻;輕量化;有限元分析;FEA對(duì)比

前 言

我國(guó)國(guó)內(nèi)的工程機(jī)械近幾年來(lái)保有量數(shù)據(jù)一直很穩(wěn)健，車(chē)輛設(shè)備廠商為了提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，往往會(huì)致力于強(qiáng)化設(shè)備的行車(chē)安全性、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性。車(chē)輪，是整車(chē)中最重要的結(jié)構(gòu)件之一，也是最重要的安全件之一，作為全地面起重機(jī)的安全件，在長(zhǎng)時(shí)間、高速下的變幅荷載作用下，可能會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件過(guò)于疲勞而出現(xiàn)損傷或失效等問(wèn)題。因此，人們?cè)谠O(shè)計(jì)車(chē)輪時(shí)，都會(huì)把車(chē)輪的強(qiáng)度作為一個(gè)特別重要的因素來(lái)考慮。但近些年來(lái)，在關(guān)注安全性的同時(shí)，國(guó)內(nèi)全地面起重機(jī)也開(kāi)始關(guān)注整車(chē)設(shè)備的重量，希望整車(chē)的重量可以得到減輕優(yōu)化，降低車(chē)輛油耗，對(duì)車(chē)輪這個(gè)安全部件同樣有輕量化的需求。

在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，車(chē)輪行業(yè)里對(duì)全地面起重機(jī)車(chē)輪輪輻的設(shè)計(jì)均采用直板結(jié)構(gòu)，板厚比較厚，重量較重，下面我們來(lái)對(duì)一款全地面起重機(jī)的車(chē)輪輪輻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，減輕重量。

一、輪輻不同幾何結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

1）傳統(tǒng)的輪輻形狀

2）優(yōu)化的輪輻形狀

為了減少重量，同時(shí)又不減低輪輞的強(qiáng)度，提出一個(gè)輪輻形狀的優(yōu)化，采用成形輪輻，局部加強(qiáng)輪輻的強(qiáng)度，改變應(yīng)力分布。

二、輪輻結(jié)構(gòu)分析及驗(yàn)證步驟：

為了確認(rèn)提出優(yōu)化的這個(gè)結(jié)構(gòu)2（圖2）是否比結(jié)構(gòu)1（圖1）好，我們需要做一些有限元分析和實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證來(lái)確認(rèn)我們的分析結(jié)果：

1）確定輪輻在使用過(guò)程中的高應(yīng)力區(qū)域以確定著重分析的區(qū)域

2）采用FEA對(duì)高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行對(duì)比分析

3）制造車(chē)輪樣件，安裝到整車(chē)上，然后整車(chē)在客戶端及測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)

三、各步驟的分析情況

1）高應(yīng)力區(qū)域確定：我們采用Creo進(jìn)行車(chē)輪模型建模，用ANSYSWORKBENCH來(lái)模擬輪輻彎曲疲勞試驗(yàn)，對(duì)輪輻施加一個(gè)遠(yuǎn)端的力，然后通過(guò)云圖查看輪輻的高應(yīng)力區(qū)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(chē)橋區(qū)域的應(yīng)力是最大的，這里是輪輻失效的最主要的區(qū)域，因此我們將要關(guān)注和分析優(yōu)化的輪輻此區(qū)域的應(yīng)力情況。

2）FEA模擬對(duì)比分析：我們將用ANSYSWORKBENCH對(duì)圖1和圖2的輪輻結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同的網(wǎng)格劃分，然后加載相同的彎矩，然后對(duì)比輪輻兩側(cè)高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力分步情況。

從上面FEA應(yīng)力云圖和下表1的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看到，結(jié)構(gòu)2（圖8、9）的最大主應(yīng)力和應(yīng)力范圍均比結(jié)構(gòu)1（圖6、7）的要小，因此可以判斷結(jié)構(gòu)2的應(yīng)力分布比結(jié)構(gòu)2好，有機(jī)會(huì)把輪輻結(jié)構(gòu)形狀從結(jié)構(gòu)1優(yōu)化成結(jié)構(gòu)2，降低車(chē)輪重量及成本。

3）整機(jī)實(shí)際工況及強(qiáng)化測(cè)試驗(yàn)證：把結(jié)構(gòu)2的車(chē)輪裝在整機(jī)上，然后按客戶整機(jī)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，新結(jié)構(gòu)的輪輻車(chē)輪通過(guò)了主機(jī)的測(cè)試驗(yàn)證。

從以上FEA分析結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)看，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)2的應(yīng)力水平低于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)1的應(yīng)力水平，并通過(guò)了主機(jī)的測(cè)試驗(yàn)證，因此此優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)2可行，此結(jié)構(gòu)可以推廣到相似的應(yīng)用中去。

結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)在經(jīng)過(guò)分析及驗(yàn)證，用成形輪輻替代直板輪輻，不但能夠得到比直板輪輻設(shè)計(jì)還要低的應(yīng)力，還簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝、減輕了車(chē)輪重量、減低了成本，對(duì)整機(jī)而言，也降低了整機(jī)重量和油耗。

參考文獻(xiàn)

[1] 客戶端的測(cè)試報(bào)告

[2] 閆勝咎，童水光，鐘翠霞，朱訓(xùn)明，王樹(shù)山-基于FEA的車(chē)輪結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì).浙江大學(xué)，1001-2354（2009）01-0053-03.