ANSYS Workbench在铝合金轮毂冲击试验中的应用

2016-05-14王琼雅李昊何军伟

中小企业管理与科技·上旬刊 2016年8期

王琼雅　李昊　何军伟

摘要：在追求环保节能的汽车行业，轻量化越来越成为高品质的代名词之一。铝合金轮毂以其良好的性能、更轻的重量、回收率高等优势成为轮毂行业的主流。本文以有限元分析软件ANSYS Workbench为工具，对铝合金轮毂的抗冲击性进行分析和预判，为铝合金轮毂产品的开发人员提供设计依据。

关键词：有限元分析；Workbench；轮毂；冲击

中图分类号： TG11.3 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）22-126-2

0 引言

轮毂由轮辋和轮辐部分组成，轮辐又可细分为轮盘和辐条。轮辋有规定的设计标准，但轮辐的形状复杂多变，没有统一的要求。轮毂又叫轮圈，是一个高速旋转件，并且要支撑整个汽车的重量。为保证轮毂性能的合格，主要对其做冲击试验、弯曲疲劳试验和径向疲劳试验。在实际开发和生产过程中，我们发现主要影响轮毂性能合格的是其抗冲击性。

本文通过用ANSYS Workbench软件模拟对轮毂冲击应变的模拟分析，并结合实际实验结果对分析进行验证，为轮毂开发人员提供可靠的设计依据，进而缩短开发周期、减少开发成本，从而提高企业的竞争力[1]。

1 有限元分析和ANSYS Workbench的简介

1.1 有限元分析简介

有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

1.2 ANSYS Workbench的简介

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（computer Aided design，CAD）软件接口，实现数据的共享和交换。自ANSYS7.0开始，ANSYS公司推出了workbench平台。该平台是用ANSYS求解实际问题的新一代仿真平台，它给ANSYS的求解提供了强大的功能和更方便的用户界面。ANSYS Workbench 整合了世界所有主流技术及数据，保持多学科技术核心多样化的同时建立统一的研发环境。

2 分析前的准备工作

2.1 建立3D模型

有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了

解计算结果。这三个阶段我们都可以在ANSYS Workbench中完成，并且随着版本的提升，Workbench的计算能力也在不断提高，后置处理也更加方便快捷，但是其建模的功能与其他软件相比较弱，我们可以在别的软件中建立实体模型后导入到Workbench中（实体模型如图1所示）。

随着技术的不断发展，市场上出现各种3D绘图软件，如UG、Pro/e、Solidworks等。每个软件都有其各自不同的特点和优势，我们可根据自身情况选择软件来建立模型。Workbench平台使用的模型内核基于Parasolid（X-T）平台[2]。虽然高版本的Workbench可以识别几乎全部建模软件建立的模型，但是为了保证其良好的识别精度和速度，还是建议模型保存为*.X-T格式。如果在实际操作中遇到部分局部特征不能被识别或者识别有误的情况时，也可以尝试以其他中间格式（例如*.Igs或*.Stp等）文件导入。

2.2 冲击质量

冲头的质量按下式确定

D=0.6W+180

式中，D——冲头质量2%（kg）；

W——最大轮毂静载荷，按车辆制造厂规定（kg）。

3 冲击试验分析

3.1 分析系统选择

在分析之前，我们要选择分析系统，在这里我们选择瞬态动力分析系统（Transient Structural）。瞬态动力分析是确定载荷随时间变化作用下结构响应的技术。瞬态动力分析可以用来确定各种冲击载荷结构，在承受各种随时间变化的载荷情况下，结构位移、应力、应变等的响应。

3.2 分析流程

Workbench把复杂的分析过程集合成为一个项目流程，从而使分析流程一目了然。结构瞬态分析的流程分为以下几步：

3.2.1 定义分析系统

将瞬态分析系统（Transient Structural）拖入到项目流程图即可。

3.2.2 定义工程材料数据（Engineering Data）

本文研究的铝合金材料为A356，因其具有较好的延伸性，在实际冲击试验过程会有大变形现象发生，所以我们在工程材料数据库[Engineering Data Sources]中选择非线性铝合金材料[Aluminum Alloy nl]。设定密度ρ：2.7x10-3g/mm3。

弹性模量E：71E09 N/mm2 ；泊松比：0.33[3]。重锤相对于铝合金轮毂来说是不会变形的，我们在分析中可以将其设定为刚体，这样可以减少网格的数量，也有利于缩短分析的计算速度。我们选择结构钢（Structural Steel）为重锤的材料，并且在实际试验中与轮子接触的重块有其规定的尺寸，我们可以修改结构钢的密度来保证模型中的重锤重量符合标准要求。

3.2.3 建模

我们将建立好的实体模型导入ANSYS Workbench中即可。

3.2.4 定义接触关系（Contacts）

在实际的冲击试验中重锤是在竖直方向上运动的，正产是不会和轮毂产生相对的滑动，即使因为轮毂的大变形而产生小的滑动生成的摩擦力相对冲击力来说也可忽略不计，因此在这里我们选择粗糙接触关系。把轮毂与重锤的接触表面设置为接触面，把重锤的下表面设定为目标面。

3.2.5 网格划分（Mesh）

网格划分是将实体物理模型数学化，是有限元分析中极其重要的一部分，是模拟分析的基础。网格直接影响到精度，求解收敛性和求解速度[4]。在ANSYS Workbench中提供了多种网格划分的方法，我们可根据具体情况选择合适的方法进行网格划分。

3.2.6 设定约束条件和求解

依据实际的冲击试验条件，我们需要设置以下几个约束条件：

①把轮毂的螺栓孔设定为固定约束；

②给重锤设定锤子向下的加速度；

③设定重锤只能竖直方向的移动；

④设定分析时间。设置完约束条件后，直接选择求解即可。