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汽车车轮的强度分析和优化设计

发布于:2016-06-14 18:26
强度分析

      为了节省能源,汽车车轮向轻量化发展,铝材以其优点被广泛地应用,因此,车轮材料选用 铝合金。为了减轻车轮重量,本研究应用有限元分析AppNASTRAN对汽车车轮进行强度分析和优化设计,实现了减轻车轮的目的。
      NASTRAN是美国MSC企业的重要产品,其分析功能覆盖了绝大多数工程领域,并为用户提供了方便的分析模块化功能选项。同时,其结构优化功能较为强大,包括尺寸优化、形状优化、拓扑优一化等等。本研究中使用的方法为尺寸优化,尺寸优化的相关变量处理起来较为方便,此外,NASTRAN提供了Design Study基本工具,用于结构的尺寸优化。
      对车轮施加边界条件时,将车轮的4个螺栓孔进行固定,对其6个自由度都加以约束,这样的约束是满足实际情况的。
      加载荷时,以动态弯曲疲劳实验数值为基础,试验台安装有旋转装置,车轮可在一个固足小动的弯矩作用下旋转,或是静止不动,而承受弯曲力矩的作用。为了能在PATRANApp中施加这一载荷,将偏心距向车轮中心移置,其等效为一个作用于轮毂的弯矩和一个作用于轮辆半周的分布力。此外,轮毂还要受到轮胎的气压作用和汽车自重的压力,根据实际情况并结合车轮参数得到综合的力学模型,由分析后的应力云图可以看出,由于受分布力加载方式的影响而在其作用处的轮辆部位产生一定的应力集中,在轮毂边缘处引起较大的应力集中,而且应力是从边缘到内部逐渐减小,最大应力处的应力值为84.7 MPa,小于铝合金的强度极限240 MPa,其强度储备很大,因此还可以做进一步的优化。
      一般说,设计变量越减少,优化就越简单,所以优化设计的变量必须选择考究,汽车车轮是由轮毂和轮辐组成的,它们是承载件,受力复杂,组件采用板壳单元进行建模,故设计变量分别取它们的板厚。
      1)性能约束,性能约束也称为功能约束,是根据设计对象应满足的功能要求而建立的约束条件。对于汽车车轮,设计应力须小于所有材料的许用应力,而且应尽可能的降低设计应力。
      汽车车轮材料采用铝合金,其许用应力为240 MPa,因此应力约束<240 MPa。
      2)边界约束,边界约束规定了设计变量的取值范围,对于汽车车轮的轮毂和轮辐,其板厚可根据经验确定其变化的上下限,轮毂的上限值为30 mm,下限值为5 mm,轮辐的上限值为20 mm,下限值为3 mm。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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