基于abacus有限元的车轮优化设计

刘军，陈正江

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230022）

基于abacus有限元的车轮优化设计

刘军，陈正江

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230022）

针对车轮的特殊使用工况，根据车轮弯曲试验，利用ABAQUS建立有限元模型，通过分析找出问题所在，并进行优化改进，使设计的车轮能满足强度使用要求。

车轮；有限元分析；优化

CLC NO.:U463.34 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-28-03

前言

车轮是介于轮胎和车桥之间承受负荷的旋转件，起着承载、转向、驱动、制动等作用，是车辆行驶系统中重要的安全结构部件。车轮在循环载荷下的承载能力一般都比较低，因此在设计阶段预测车轮的强度有着重要的意义。计算机辅助工程的应用，为结构强度计算提供了可靠的手段，使设计人员在产品开发的初级阶段就可以进行仿真分析，得出相对可靠的强度预测，缩短开发周期，节省费用。本文就有限元模型方面展开研究，以汽车车轮的弯曲试验为例，用ABAQUS软件建立精确的有限元模型，得出车轮结构的应力分布，针对应力分布的薄弱环节进行相应的加强和改进。

1、车轮有限元模型的建立

车轮的强度是通过弯曲试验和径向试验来检验的，实际经验表明，弯曲试验破坏几率远大于径向试验，于是，本文针对弯曲试验，探讨车轮强度的预测方法。车轮几何形状复杂，在结构突变处容易出现应力集中现象，导致车轮局部应力提高，破坏总是由应力应变最高处起始，沿着一定的结晶面开始扩展，形成裂纹。因此，应力集中处就是结构破坏的危险处。结构的强度取决于危险点在应力循环周期内的最大最小应力值，本文的研究方法是根据车轮弯曲试验中的加载和约束边界条件建立车轮的静态线性有限元模型，快速找出结构中的危险点。

图1 是车轮弯曲试验装置，车轮固定在工作台上，通过电机转动带动工作台和车轮转动，加载轴与工作台相连，在加强轴末端施加一恒定载荷，产生弯矩，实现对车轮施加旋转弯矩的效果，模拟车轮在行车中承受弯矩负荷，要求车轮在试验弯矩下经历一定的疲劳循环后不得出现裂纹等破坏现象。

ABAQUS/CAE是一种提供基于特征的参数化建立有限元模型方法的前处理程序，给模型带来高效率和机动性。基于有限元方法，建立起能精确反应系统物理特性的有限元模型，从而便于研究和改进车轮的强度和刚度特性。

应用 ABAQUS建立车轮弯曲试验的有限元模型。车轮是由宝钢380CL钢材整体冲压而成的，各部位厚度不均匀，因此采用修正的十节点四面体单元建模，能更精确的反映车轮的空间结构。螺栓、螺母用C3D8I（8节点六面体非协调实体单元）。轮辐及螺栓孔附近是疲劳裂纹最常出现的区域，因此对该区域细分单元，保证计算结果的精度，对轮辋及轮毂这些不可能发生疲劳破坏的区域不作重点研究，粗分网格，减少计算量。

材料弹性模量取206GPa，泊松比取0.3。约束轮辋下轮缘的全部自由度。建立加载盘模拟轮毂和固定螺栓直接加载弯矩到加载盘上。螺栓预紧力对车轮有极大的影响，但不画出螺纹，因为螺纹不是分析的重点。

接触设定：加载盘底面与轮辐接触，加载盘顶面与螺栓头底面接触，螺母底面与轮辐接触，由于不考虑螺栓、螺母的螺纹问题，故使用绑定约束将二者绑定。同时还要考虑在受力过程中螺栓杆面可能会与轮辐孔，以及加载盘孔内壁接触，这些地方都设了接触。

约束条件：约束轮辋下轮缘的全部自由度，使用ENCA -STRE。

载荷施加：先设定参考点，用运动耦合约束将参考点与加载盘面绑定。再在参考点上施加集中弯矩31.25kN.m。

螺栓预紧力施加：按螺栓定扭 550N.m，折算预紧力为159600N。

2、有限元计算结果分析

从车轮Mises应力图中可知，最大应力390Mpa，出现在螺栓连接处，散热孔周围最大应力 260Mpa。最大位移出现在车轮最前端，为7.3mm。

由上述分析可得，此车轮不满足使用强度，需要进行优化改进。

3、改进措施

根据有限元分析计算得出的数据得知，车轮底部之所以出现应力集中，是因为轮辐过于薄弱可在其上适当加上加强筋，共两种方式，改进后模型如下图。

改进1型车轮的应力得到明显增大，在螺栓安装面内，应力集中在折弯处最大应力为 585Mpa，散热孔周围最大应力382Mpa。

改进2型车轮的应力得到明显改善，最大应力集中在螺栓安装处，为242Mpa，散热孔周围应力相对较好约180Mpa，其它部位应力分布均匀。最大应力未超出材料屈服极限，强度满足使用要求。

由上述数据可见：

（1）有效控制应力幅值是提高车轮强度的途径之一。

（2）预测的强度值普遍较低。因为结构强度的预测是建立在理想状态下力学仿真分析基础上，忽略了实际制造过程中产生的疏松、针孔等现象，此类缺陷会削弱结构的力学性能，导致强度的降低。

（3）同一个规格不同结构的车轮，其强度性能可以相差甚远，由此可见结构优化对提高结构强度的有着很大的影响。

表1 车轮改进前后最大应力情况

4、结论

通过上面用ABAQUS对车轮进行有限元理论分析并改进，形成如下结论：

1.分析结果表明优化后的车轮完全满足用户使用要求；

2.应用CAD/CAE软件等分析，提高了产品设计的准确率，少走弯路，大大缩短了新产品开发周期；

3.上述的分析方法仅仅是对车轮进行静态状态下的理论计算，但对车轮的疲劳强度没有分析，这是我们下一步所要做的课题。

[1] 蒋孝煜.有限元基础[M].北京.清华大学出版社.1992.

[2] 王冒成.邵敏.有限单元法基本理论和数值方法[M].北京.清华大学出版社.2001.

[3] 陈家瑞.汽车构造[M].北京.机械工业出版社.2000.

[4] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2000.

[5] 石亦平.周玉荣.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京.机械工业出版社，2006.

[6] 曹金凤.石亦平.ABAQUS有限元分析常见问题解答[M]. 北京.机械工业出版社，2009.

Optimized Design of Wheel Based on ABAQUS Finite Element Method

Liu Jun, Chen Zhengjiang
(Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230022)

According to the special conditions, the wheels according to the wheels by ABAQUS bending test, a finite element model, through the analysis to find the problem, and the optimization design of the wheel, can satisfy the demands strength.

wheels；Finite element analysis；optimize

U463.34

A

1671-7988(2015)05-28-03

刘军，工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。