陸 洋，王虎奇

(廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州 545006)

1 引言

鋼圈是輪胎和轎車之間的旋轉(zhuǎn)部件，其作用是安裝輪胎，承受輪胎與車橋之間各種力和力矩，是汽車行駛系統(tǒng)的重要部件，對(duì)汽車行駛的安全性、可靠性、平順性和牽引性均起著重要的作用［1］。筆者通過(guò)有限元分析來(lái)校核鋼圈應(yīng)力強(qiáng)度大小是否滿足材料強(qiáng)度極限及了解鋼圈應(yīng)力的分布情況。

鋼圈由輪輞和輪輻組成，兩者用焊接形式組合。輪輞與輪胎配合，輪輻是車輪上介于車軸和輪輞之間的支撐部件。圖1所示是某型車輪鋼圈。

2 轎車鋼圈的有限元分析

2.1 有限元模型的建立

ANSYS有限元軟件的結(jié)構(gòu)分析一般要經(jīng)過(guò)前處理、加載求解和后處理。前處理具有強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)絡(luò)劃分能力;加載求解可對(duì)實(shí)體模型施加載荷及約束，并進(jìn)行求解計(jì)算;在后處理中讀取結(jié)算結(jié)果數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行各種圖形化顯示，還可以進(jìn)行各種后續(xù)分析［2］。本文運(yùn)用ANSYS軟件直接對(duì)鋼圈進(jìn)行建模、分析求解。這樣可以防止數(shù)據(jù)的丟失，得到更加準(zhǔn)確的鋼圈模型及分析計(jì)算結(jié)果。

由于鋼圈被切割為兩部分，所以在ANSYS中采用自底向上建模的方法進(jìn)行建模，根據(jù)鋼圈的截面得到關(guān)鍵點(diǎn)，由點(diǎn)到線到面，圖2為鋼圈的截面。圖3為鋼圈截面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)得到鋼圈的旋轉(zhuǎn)體模型。在鋼圈的旋轉(zhuǎn)體模型中，根據(jù)螺栓孔的大小和方向，在相應(yīng)的位置建立圓柱體，運(yùn)用ANSYS中的布爾運(yùn)算進(jìn)行相減得到如圖4所示的鋼圈實(shí)體模型。

圖1 鋼圈模型

圖2 鋼圈的截面

圖3 鋼圈的旋轉(zhuǎn)體模型

圖4 鋼圈實(shí)體的模型

鋼圈的材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 鋼圈材料性能

選用Solid92號(hào)單元對(duì)鋼圈進(jìn)行自由劃分，圖5為鋼圈的實(shí)體網(wǎng)格模型。

2.2 邊界條件的建立和施加載荷

按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T5334－2005)進(jìn)行模擬該型鋼圈在彎曲工況下的應(yīng)力分析，建立鋼圈的邊界條件并且施加載荷［3］。由于只是單獨(dú)對(duì)鋼圈進(jìn)行應(yīng)力分析，所以在鋼圈的螺栓孔與螺栓的接觸面上施加固定約束。

由于ANSYS中不能直接對(duì)模型進(jìn)行彎矩加載，所以將彎矩等效成兩個(gè)分別施加在輪輞上下外圓上的力 F1、F2，兩力大小相等，方向相反［4］。根據(jù)實(shí)驗(yàn)彎矩M=1820 N·m，得到兩力大小為:

式中:L為輪輞寬度。

作用在輪輞上的力按60°的余弦分布規(guī)律分布在輪輞上［5］，如圖 6 所示。

圖5 鋼圈實(shí)體網(wǎng)格模型

圖6 余弦載荷分布

并利用公式將力轉(zhuǎn)換為一定面積上的壓力:

式中:W0為作用在輪輞上的力;b為載荷作用在輪輞上的寬度;rb為載荷作用面的半徑;θ為載荷分布角。作用在輪輞上力的余弦函數(shù)為:

在ANSYS的function里編輯式(3)進(jìn)行函數(shù)加載。本文使用方法是將彎矩減半，見式(1)，同時(shí)只加載在輪輞的一側(cè)。此加載方式等效于在輪輞的一側(cè)加力，另一側(cè)加約束［5］。

2.3 鋼圈有限元求解結(jié)果

求解結(jié)果如圖7所示，從圖中觀察得到鋼圈的應(yīng)力強(qiáng)度大小和分布情況，其應(yīng)力最大值為485.59 MPa，位于螺栓孔處。圖8為螺栓孔應(yīng)力分布圖。

圖7 鋼圈分析結(jié)果

圖8 螺栓孔處的應(yīng)力分布

3 有限元結(jié)果分析

根據(jù)ANSYS軟件的分析結(jié)果，得到鋼圈的應(yīng)力大小和分布情況，鋼圈的最大應(yīng)力值為485.59 MPa，因?yàn)槠渲荡笥诓牧系膹?qiáng)度極限440 MPa，所以該鋼圈會(huì)因彎曲工況而破壞，這一結(jié)論與實(shí)踐中鋼圈受彎矩載荷作用出現(xiàn)斷裂的情況相吻合。

本文所作的分析都是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，僅考慮彎曲工況時(shí)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果。實(shí)際上鋼圈在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力大小及分布還與鋼圈實(shí)際運(yùn)行工況、制造工藝、螺栓預(yù)緊力、輪輻與輪輞之間的焊接工藝、輪胎等因素有關(guān)。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)該鋼圈的有限元分析，驗(yàn)證了鋼圈彎曲試驗(yàn)的正確性，并且應(yīng)用ANSYS軟件形象的顯示出了鋼圈應(yīng)力大小及分布。為鋼圈的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了有力的依據(jù)，此外也大大縮短了開發(fā)周期。

結(jié)構(gòu)分析的有限元法是現(xiàn)代理論的設(shè)計(jì)方法之一。它可以解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論不能解決的實(shí)際問(wèn)題，隨著有限元軟件的日益成熟，它將發(fā)揮更重要的作用。本文加載方式及計(jì)算結(jié)果可供參考。

［1］ 李 冰，耿雪霄，黃位健.汽車鋼圈疲勞壽命的有限元分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(7):125－127.

［2］ 朱 帥，錢立軍.基于ANSYS的前橋強(qiáng)度分析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2007(2):44－45.

［3］ GB/T5334－2005，乘用車車輪性能要求和試驗(yàn)方法［S］.

［4］ 蔡敢為，任延舉，張 磊，等.基于ANSYS的車輪強(qiáng)度分析與壽命預(yù)測(cè)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(3):186－187.

［5］ 韋 傾.轎車車輪鋼圈疲勞壽命的有限元分析［J］.機(jī)械工程師，2007(2):68－70.