有限元分析中网格划分对轮合金轮毂强度分析的影响

2020-09-10许素娟

内燃机与配件 2020年2期

许素娟

摘要：计算机技术和仿真软件的进步，在整個机械行业中的作用正在不断凸显出来，作为新时期的软件技术，ANSYS有限元分析系统有力的推动了铝合金轮毂行业的发展。ANSYS有限元分析使铝合金轮毂在开发过程中形成了结构分析和强度改进的闭环系统。针对公司为某客户生产的一款铝合金轮毂在试制时13度冲击试验时失效情况，对有限元分析软件中的网格划分进行改进，虚拟冲击台架试验，通过分析结果，结合实际车轮试验失效情况，对车轮结构参数进行了修改，修改后车轮顺利通过了13度冲击试验。

关键词：铝合金轮毂;冲击试验;有限元分析;网格划分

0 引言

铝合金轮毂是汽车重要的安全件。对汽车的行驶安全性和操纵稳定性有着重大的影响。铝合金轮毂批量生产前必须通过冲击试验、弯曲疲劳试验、径向疲劳试验验证，且验证合格，以此来确认车轮的安全性。为了优化轮毂结构、缩短轮毂的试验周期以及提高轮毂的生产质量并降低研发成本，各轮毂企业纷纷引入仿真模拟技术，为产品前期研发提供理论支持。ANSYS有限元分析系统具有非常全面的分析功能。铝合金轮毂必须通过的冲击试验、弯曲疲劳试验、径向疲劳试验都能够有效分析，成功减少新产品试验和优化的次数。

1 13度冲击虚拟冲击台架试验

对轮毂模型进行网格划分，单元大小选为10mm，将轮毂与安装盘的接触面固定，约束其自由度。冲块与轮毂上表面间建立接触面。根据试验冲击载荷，对接触面施力。（考虑到带有轮胎模型计算时间较长，所以将试验模型简化，不考虑轮胎及充气压力对载荷的影响，从而简化模型缩短分析时间。）分析结果，如图1所示。

2 试验验证

试验失效判断准则：实验中不能出现穿透性裂纹（通过染色浸透探伤法进行检查）、轮辋和轮辐脱离以及漏气等现象（实验中冲锤与轮毂直接接触造成的损伤、变形等不作为判断的对象）。上述的漏气现象是指轮胎内部胎压在1 min内全部漏光的情况。按照试验参数对此款轮毂进行13度冲击试验，轮毂表面出现穿透性裂纹。裂纹位置在窗口内侧轮辐处，如图2所示。

3 失效结果分析及根据技术指标，结构改进

根据图2中，冲击后失效位置为轮辐内侧通风孔处，实际失效破坏位置与分析结果相同，说明ANSYS分析对实验弱点有切合实际的指导作用。

根据技术指标，分析合格而实际验证时不合格，重新审视我们的分析过程。对此细轮辐的轮毂在进行网格划分时，将单元格大小选定为10 mm，可能不适用。重新定义轮毂网格，再次进行分析，本次定为5mm，重新计算分析，得到与单元格为10mm时，不一样的分析结果，如图3所示，根据技术指标，分析结果不合格。

结构改进，轮辐法兰盘处失效原因可能是因产品此部位较薄，强度弱，冲击时产生变形较大，导致此部分断裂。根据弱点位置，改进轮毂结构，修改前、后车轮结构如图4所示。

4 改后分析验证

修改后再次进行分析，本次网格划分仍旧定为5mm，计算分析结果如图5所示，根据技术指标，分析结果合格。

根据计算结果，对轮毂模具进行修改并改进产品，使用原生产过程工艺，再次生产出新轮毂产品，顺利通过13度冲击试验，进入批量生产阶段。

5 分析方法改进后推进

在相似轮型1985开发时，基于上述经验，13度强度分析时，网格划分定为5mm，调整产品结构至分析结果满足技术指标，确定产品结构。产品首次上线验证，13度冲击试验，1985产品一次性合格。

在有限元分析时，网格划分在分析结果体现，网格越小，分析结果越精确。但网格划分的越小，对电脑及模型质量的要求越高，分析过程越慢。

6 结论

①铝合金轮毂的强度性能与产品结构相关。采用有限元分析软件，可很好地指导产品结构改进。②有限元分析时，网格划分大小对强度分析结果有较大影响，在模型质量允许、电脑质量能够满足时，将网格划分为5mm，可提高分析精度，达到更满意的分析效果。