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基于CATIA V5的汽车车轮钢圈结构强度分析 |
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作者：一汽天津夏利汽车股份有限公司 王磊 |
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摘要：本文运用CATIA V5 创成式结构分析功能对汽车车轮钢圈的结构强度进行了分析，分别对弯曲疲劳台架试验工况和径向疲劳台架试验工况进行了分析。分析计算结果表明，汽车车轮钢圈强度的有限元仿真分析是实现汽车结构部件强度设计的有效手段。
关键词：创成式结构分析 汽车车轮钢圈 弯曲疲劳台架试验工况
径向疲劳台架试验工况
汽车车轮是汽车的重要部件，汽车与地面之间的所有相互作用力和力矩(例如驱动力、制动力、侧向力、垂直力以及回力矩等)都是通过车轮传递，因此车轮对汽车的多种性能有重要的影响，尤其是安全性和可靠性。由于车轮是回旋体，所以要求尺寸精度高，平衡度好，支撑轮胎的轮辋外形(包括轮廓、尺寸、形状)正确，而且具有一定的刚度和弹性，耐疲劳，重量轻，经历适用。
本文在分析了车轮结构特点之后，介绍了应用CATIA V5 有限元法对车轮进行结构分析时的力学模型简化方法，然后对车轮的弯曲和径向疲劳台架试验工况进行了有限元分析，来指导车轮结构的修改，获得了较为理想的结果。
1 汽车车轮结构与特点
汽车车轮钢圈由轮辋和轮辐组成，两者用焊接的形式组合而成。其结构随着使用要求和设计布局的不同而不同。本文所研究的车轮钢圈如下图所示。其辐板上面挖去9 个减重孔，轮缘和轮辋底部便于安装轮胎。
图1 汽车车轮钢圈模型
2 CATIA V5 有限元分析的特点
CATIA 是法国达索公司开发的一种CAD/CAE/CAM 软件。CATIA 软件以其强大的功能在飞机、汽车、轮船等设计领域享有很高的声誉。创成式有限元分析(Generative Structure Analysis)是CATIA V5 软件一个比较成熟的模块，它能够同CATIA 其他模块进行数据共享，在同一个界面下进行有限元分析操作。同专业的有限元分析软件相比较，它具有操作简单，分析结果可靠性好，同时不需要对分析模型进行数据转化，因而受到越来越广泛的关注和应用。
在CATIA V5 种进行有限元分析的流程如下图所示：
3 汽车车轮钢圈有限元分析
3.1 车轮钢圈有限元分析模型建立
(1).结构。
车轮钢圈模型完全按照图纸尺寸建立，几乎未做简化，防止产生以外误差，避免影响分析结果。
(2).边界条件和载荷。
针对汽车车轮钢圈弯曲疲劳台架试验和径向疲劳台架试验工况，对车轮钢圈进行计算机有限元模拟强度和刚度分析。参照给定的试验条件，我们进行了如下两种工况条件下的有限元分析
工况一：模拟汽车车轮钢圈的弯曲疲劳台架试验。
约束方式：轮辐支撑面接触区固定
负荷方式：(a). 轮缘周边施加弯矩M，弯矩大小为：M=2683N.m；(b). 紧固孔锥面施加轴向力F；轴向力大小为：F=25000N×6。
工况二：模拟车轮钢圈的径向疲劳台架试验。
约束方式：轮辐紧固孔接触区固定
负荷方式：a. 轮缘垂直平面施加两个轴向力L，这两个轴向力大小相等、方向相反，沿周边均匀分布；轴向力L 的大小为：L=49478N；b. 轮辋两侧胎圈座中轴线左右各20mm 范围内均匀施加径向力P1、P2，径向力P1、P2 分别为：P1、P2=3528N；中轴线左右各20~50mm 范围内施加径向力P3、P4、P5、P6，其值大小为：P3、P4、P5、P6=1176N。
3.2 车轮钢圈有限元网格划分
CATIA 提供了丰富的有限元单元类型，如壳单元、梁单元、杆单元、实体单元等。根据车轮钢圈的工件特点和分析精度要求，本文采用采用软件默认工程精度进行网格划分，选用四面体立体单元。单元网格的大小为10mm。在定义网格属性之前，我们需要对其进行材料定义，此模型为碳钢材料模型，弹性模量为：2.0e+5Mpa; 泊松比为：0.27。单元网格属性为实体属性。手孔、紧固孔、轮缘等重点部位单元细化，以求提高分析结果的精确度。
车轮钢圈共划分实体单元52,251 个，节点数位17,760 个。如下图所示：
图3 汽车车轮钢圈模型
3.3 有限元模型计算及数据输出分析
运用CATIA V5 创成式结构分析模块，对对上面建立的钢圈有限元分析模型进行分析求解。此模型的计算目的就是分析汽车车轮钢圈在这俩种工况条件下的应力分布情况，得到它们的应力大小及分布图。图3 为弯曲疲劳台架试验工况下的应力云图，图4 为径向疲劳台架试验工况下的应力云图。
从图4 中可以得到，变形集中区域位置主要位于轮辋边缘和轮辐中心孔边缘，应力集中区域位置主要在轮辐支撑面、螺栓孔周围、手孔边缘，最大应力点数值，8.55e+8N/m2(螺栓孔锥面)。从图5 中可以得到，变形集中区域位置主要位于轮缘径向受力一侧，应力集中区域位置主要在轮辋轮缘、螺栓孔锥面、手孔边缘，最大应力点数值：3.63e+8N/m2(螺栓孔锥面)。
4 结束语
通过对该型汽车车轮钢圈进行有限元分析，验证了车轮钢圈在弯曲疲劳台架试验和径向疲劳台架试验结果的正确定，用应力云图形象地表示了车轮钢圈在弯曲和径向工况下的应力大小及分布，为车轮设计开发提供了有利的依据，从而避免了设计中的盲目性，减少设计成本，缩短设计周期。(end)
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(4/22/2008) |
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