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汽車車輪的強度分析和優(yōu)化設計

發(fā)布于:2016-06-14 18:26
強度分析

      為了節(jié)省能源,汽車車輪向輕量化發(fā)展,鋁材以其優(yōu)點被廣泛地應用,因此,車輪材料選用 鋁合金。為了減輕車輪重量,本研究應用有限元分析軟件NASTRAN對汽車車輪進行強度分析和優(yōu)化設計,實現(xiàn)了減輕車輪的目的。
      NASTRAN是美國MSC公司的重要產(chǎn)品,其分析功能覆蓋了絕大多數(shù)工程領域,并為用戶提供了方便的分析模塊化功能選項。同時,其結構優(yōu)化功能較為強大,包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)一化等等。本研究中使用的方法為尺寸優(yōu)化,尺寸優(yōu)化的相關變量處理起來較為方便,此外,NASTRAN提供了Design Study基本工具,用于結構的尺寸優(yōu)化。
      對車輪施加邊界條件時,將車輪的4個螺栓孔進行固定,對其6個自由度都加以約束,這樣的約束是滿足實際情況的。
      加載荷時,以動態(tài)彎曲疲勞實驗數(shù)值為基礎,試驗臺安裝有旋轉裝置,車輪可在一個固足小動的彎矩作用下旋轉,或是靜止不動,而承受彎曲力矩的作用。為了能在PATRAN軟件中施加這一載荷,將偏心距向車輪中心移置,其等效為一個作用于輪轂的彎矩和一個作用于輪輛半周的分布力。此外,輪轂還要受到輪胎的氣壓作用和汽車自重的壓力,根據(jù)實際情況并結合車輪參數(shù)得到綜合的力學模型,由分析后的應力云圖可以看出,由于受分布力加載方式的影響而在其作用處的輪輛部位產(chǎn)生一定的應力集中,在輪轂邊緣處引起較大的應力集中,而且應力是從邊緣到內部逐漸減小,最大應力處的應力值為84.7 MPa,小于鋁合金的強度極限240 MPa,其強度儲備很大,因此還可以做進一步的優(yōu)化。
      一般說,設計變量越減少,優(yōu)化就越簡單,所以優(yōu)化設計的變量必須選擇考究,汽車車輪是由輪轂和輪輻組成的,它們是承載件,受力復雜,組件采用板殼單元進行建模,故設計變量分別取它們的板厚。
      1)性能約束,性能約束也稱為功能約束,是根據(jù)設計對象應滿足的功能要求而建立的約束條件。對于汽車車輪,設計應力須小于所有材料的許用應力,而且應盡可能的降低設計應力。
      汽車車輪材料采用鋁合金,其許用應力為240 MPa,因此應力約束<240 MPa。
      2)邊界約束,邊界約束規(guī)定了設計變量的取值范圍,對于汽車車輪的輪轂和輪輻,其板厚可根據(jù)經(jīng)驗確定其變化的上下限,輪轂的上限值為30 mm,下限值為5 mm,輪輻的上限值為20 mm,下限值為3 mm。


                                                                                  專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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