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有限元分析技术在汽车轮毂设计中的应用研究

来源:论文知识网作者:kaiting时间:2019-04-15 10:34

  摘要:现在产品的更新换代速度越来越快,如何快速设计出既美观又满足功能安全需要的丁%11,产品成为现阶段的主要方向。文章通过对比传统轮毂设计流程与运用有限元分析技术辅助的设计流程,分析应用有限元方法进行设计的优势,并通过设计实践来检验设计的合理性。再进一步分析轮毂设计的未来趋势及有限元分析技术在其中起到的作用,使得设计流程更加更加科学高效。

  关键词:汽车轮载设计;设计流程;有限元分析;发展趋势

汽车能源论文

  现在人们的生活水平越来越高,对产品的要求也随之提升,如何快速设计出既美观又满足功能需求的产品是工业设计的研究方向。在工业产品的研发过程中有很多客观的硬性要求在约束着产品的造型设计,比如,材料限制、加工工艺的限制和产品安全可靠性的限制。以汽车轮毂为例,在设计轮毂时不仅仅要考虑轮辐的造型美观,还要考验轮毂整体结构的可靠性,只有满足国家标准GB/T5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》才能面向市场销售。所以,在设计过程中引入有限元分析技术,对设计出的数据进行有限元仿真搭建不同的试验工况进行分析,可以实现轮毂设计与可靠性分析同时进行,在设计的过程中对轮毂结构进行实时的优化大大提高设计的效率。

  1 有限元分析及其技术应用领域

  有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)是运用数学近似的方法对物理结构和载荷工况进行模拟。利用简单的单元(Element)之间的相互作用和关系来仿真物理结构的实际工作中的状态,就可以将无限数量的未知量转化为有限未知量的求得近似解。

  有限元分析的基本步骤通常为,如图1。(1)几何数据的前处理。对需要仿真分析的几何结构数据进行几何清理,将几何特征进行适当的简化并划分成合适的网格,根据不同的几何结构可以选择不同的单元类型进行仿真,单元类型可以分为壳单元(Shells)、实体单元(Solids)、梁单元(Beams)。给处理好的网格定义材料属性,并根据真实的试验情况施加约束、载荷和工况(尽可能的接近实际试验状态);(2)数据分析。选用合适的数值求解器(不同的求解器对网格划分的要求不同)对处理好的网格数据进行求解计算;(3)计算结果后处理。根据处理后的数据几何结构的可靠性进行评估,并对风险项进行优化设计;(4)再次验证。对优化后的FEA模型再次数据分析,验证优化后的设计方案是否规避了风险并且合理可靠。

  有限元技术可以应用在工业生产过程中,比如工业产品零部件的强度分析,分析各部件在使用工况下是否满足材料的强度极限,提前发现风险点并进行优化改良,使得产品更加安全可靠。现在,各大汽车制造企业都成立了自己的CAE分析部门。有限元分析技术已经成为汽车研发制造过程中不可或缺的一部分。有限元技术可以在乘用车研发过程中主要有以下几个方向的应用:(1)结构分析,如白车身弯曲刚度分析、扭转刚度分析、安装点强度分析;(2)CFD分析,如整车流场分析,发动机舱热流场分析;(3)NV日分析,如动刚度分析、震动噪声分析等;(4)碰撞安全分析,如乘用车碰撞模拟实验、约束系统匹配分析、行人保护分析。其中,轮毂作为汽车的重要承载部部件,其结构的可靠性极其重要。

  2 传统设计方法与有限元分析设计方法的对比分析

  2.1 传统轮毂设计方法流程及其存在的问题

  在传统汽车轮毂设计过程中造型设计和结构设计是分开进行的。汽车制造商先根据汽车的造型设计出轮毂造型(主要是轮辐的造型),当造型通过评审后再进行简单的三维设计,此时的三维结构是以美观和与车身的统一为前提。然后再把评审通过的三维模型交给供应商进行试制,传统的轮毂设计流程如图2(a)所示。因此,在样件制作的过程中可能会出现由于造型设计不合理而产生的结构风险,导致造型反复修改,浪费材料浪费时间。

  2.2 有限元分析技术在汽车轮毂设计中的优势

  将有限元分析加入到轮毂研发设计的过程中,首先开始轮毂的二维造型设计,把审核通过的设计方案进行三维模型搭建,接着用有限元分析轮毂的三维模型,验证设计方案是否满足功能和安全的需要,如果不满足可以继续优化设计直到得到最佳的设计方案。这样设计出的輪毂既满足造型设计要求又符合结构设计要求,大大提高了工作效率,缩减了产品的开发周期和开发成本。有限元分析指导造型设计的一般流程如图2(匕)所示。

  在汽车轮毂研发过程中需要进行的仿真分析主要有:13°冲击试验仿真、弯曲疲劳试验仿真、径向载荷疲劳试验仿真。闫胜昝等人验证了不同形状轮辐的轮毂承受不同工况载荷的力学性能的优缺点:在弯曲工况下直辐条车轮的力学性能更加优秀;在冲击工况下弯曲辐条的轮毂力学性能表现更好;为使轮辐截面受力更加合理并且减轻质量,可以采用在直辐条背面开槽的方法0

  在汽车轮毂的结构优化方面,齐铁力等人使用有限元的方法分析了汽车轮毂的结构强度,然后以轮毂厚度为变量进行了轻量化设计[2]。曲文君等人通过参数化设计方法对低压铸造铝合金车轮进行了研究和分析,以16寸车轮为例,使用Pro E建立了车轮的几何模型,并导入到ANSYS中进行强度分析与优化设计。结果表明,优化后质量明显降低,应力分布均匀合理,且最大应力小于其材料对应的许用应力[3]。崔胜民等人使用有限元的方法对车轮轮辐进行结构设计,在验证其可行的同时建立了优化数学模型。并结合优化设计方法与有限元分析方法对某辐板式车轮进行了优化设计,优化后的模型质量降低且性能要求满足[4]。王一浏通过对16英寸全封闭轮辐进行拓扑优化并设计出一款五辐车轮,再将其改为组装式车轮进行有限元仿真分析和轻量化设计,最终设计出满足安全需求而且减重14.4%的组装式轮[5]。

  3 基于有限元分析技术的汽车轮载设计设计实践及其未来趋势

  推荐阅读:《汽车安全与节能学报》Journal of Automotive Safety and Energy(季刊)2010年创刊,是面向国内外征稿及发行的汽车专业学术期刊.



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