I-DEAS软件在轮毂有限元分析中的应用

计算机应用　ｌ—ＤＥＡＳ软件在轮毂有限元分析中的应用　李力重，王军　（中信戴卡轮毂制造有限公司研发中心，河北秦皇岛０６６００３）　摘　要：优化了铝合金轮毂的开发流程。采用Ｉ－ＤＥＡＳ软件对铝合金轮毂的弯曲疲劳、径　向疲劳及冲击试验进行有限元分析，证明仿真分析可以满足指导车轮设计，优化车轮结构的要　求。　关键词：铝合金；轮毂；有限元分析；Ｉ—ＤＥＡＳ　中图分类号：ＴＰ３９１．７２文献标识码：Ａ文章编号：１６７３—３３２０（２００８）０６—００３５—０６　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌ－ＤＥＡＳ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｎ　ＦＥＭ　ｏｆ　Ｗｈｅｅｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ＬＩ　Ｌｉ－ｚｈｏｎｇ．ＷＡＮＧ　Ｊｕｎ　（Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｒｅ　ｏｆ　Ｚｈｏｎｇｘｉｎ－Ｄｅｃｃａ　Ｗｈｅｅｌ－ｈｕｂ　Ｍｆｇ．Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ　０６６００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｌｌｏｙ　ｗｈｅｅｌ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ　ｃｏｒｎｅｒｉｎｇ　ｆａｔｉｇｕｅ，ｒａｄｉａｌ　ｆａｔｉｇｕｅ　ａｎｄ　ｉｍｐａｃｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ＦＥＭ　ｉｎ　Ｉ－ＤＥＡＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ｗｈｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　ｉｓ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ＦＥＭ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ；Ｗｈｅｅｌ；ＦＥＭ；Ｉ－ＤＥＡＳ　汽车铝轮毂是一个高速转动和承受汽车总载　传统铝合金轮毂的开发流程如图１所示。　荷，实现汽车作为交通工具功能的零部件。因此　汽车铝轮毂的安全性至关重要，其安全性主要取　决于它的材质和结构。　对轮毂毛坯的主要要求有：铸件材质符合　铝合金成分要求，无缩孔、裂纹、气孔、夹渣等　铸造缺陷：铸件金相组织具有良好的晶粒组织结　构、微观组织结构；铸件力学性能具有足够的强　度。　铝轮毂成品要满足整车设计载荷的要求，主　要包括：弯曲疲劳寿命；径向疲劳寿命；冲击强　度；轮毂固有频率，与整车不能发生共振：要有　足够的刚性。　１　铝合金轮毂的开发流程　现在，铝合金轮毂市场的竞争日趋激烈。铝　合金轮毂制造企业为了进一步提高竞争能力，扩　大市场份额，需要加快新产品开发，提高产品质　量，降低产品成本，缩短产品投放市场的时间。　为了达到上述目标，在开发阶段需要对原有产品　图１　传统的铝轮毂开发流程　开发的流程进行重构，增加新的产品开发工具和　传统开发流程的技术特点是：产品研制的基　开发手段。　础是以制造物理样品为驱动，研制过程为串行过　ｚ。。ｓ年第ｅ期Ｉ　３５　画　程。其缺点也很明显：产品研制成本高、研制周　期长，车轮能否满足整车的设计要求，要等到样　轮试制出来进行强度试验后才知道结果。　现在，通过不断摸索，为适应市场的发展需　要，戴卡公司提出了如图２所示的开发流程。　图２优化的铝轮毂开发流程　优化开发流程的特点是：产品研制以数字　模型为驱动，研制过程为并行制造过程。其优点　是：减少产品的研制成本、缩短产品研制周期，　在产品的设计阶段就对车轮的强度性能和工艺性　能进行有效的评估，对后续工作进行指导，既节　约了成本，又提高了效率，缩短了产品的开发周　期，提高了企业的竞争能力。　２铝合金轮毂的有限元分析　针对铝合金轮毂的技术特点，主要进行如表　ｌ所示几个方面的有限元分析，并以之对轮毂的设　计进行优化。汽车铝轮毂是一个高速转动和承受　汽车总载荷的零部件，在工作过程中要承受动态　弯矩、动态径向力和路面的冲击力。汽车行业标　准ＱＣ／Ｔ　２２１—１９９７￣Ｈ国家标准ＧＢ／Ｔ　１　５７０４—１９９５规　定了轮毂的３项试验（动态弯曲疲劳试验、动态径　向疲劳试验、冲击试验），世界上各大汽车厂也　３６　Ｉ　ｚ。。ｓ年第ｅ期　对此３项试验作了明确的规定。　表１　铝合金轮毂的有限元分析　类别　项目　内容　Ｍ耄ＡＧＭ　Ａ　蓑微　观组织　预测铸件金相组织的微观　坌塑　塑　塑　，、　璧疲劳　预测弯曲疲劳试验的结果　广　Ｊ　、Ｉ＾　７一…、………　Ｉ－ＤＥＡＳ　径向疲劳　预测径向疲劳强度试验的　结构分析分析　结果　（成品　、冲，、　妻响应　预测冲击试验的结果　ｒ　Ｊ　、ｌ＾…………Ｈ…　除了标准规定的３项试验外，有些汽车厂为　了保证汽车行驶的平稳性和安全性，还会做出新　的要求。同时，这也是轮毂设计者应该考虑的问　题。对轮毂来讲，除了要满足强度的要求之外，　还要满足：固有频率的要求，保证车轮不会与整　车发生共振；刚度值的要求，保证车轮在外载荷　作用下，不会发生较大变形。　为了在铝轮毂的设计阶段就能够预测轮毂的　弯曲疲劳强度、径向疲劳强度、冲击强度、固有　频率和刚度值，从而优化轮毂的设计结构，需要　在设计阶段对轮毂的设计结构进行与３项试验相应　的有限元分析、固有频率分析以及刚度值分析计　算。　我公司采用Ｉ．ＤＥＡＳ软件对以上要求的试验进　行有限元分析，并与试验结果进行对比。仿真分　析的结果与试验结果基本一致。可以满足指导车　轮设计，优化车轮结构的要求。　２．１　疲劳试验的有限元分析　２．１．１　疲劳破坏的基本概念　轮毂在受到交变的循环载荷作用并在达到一　定的循环次数时，会产生裂纹，裂纹继续扩大会　导致轮毂断裂，产生的裂纹称为疲劳破坏。为了　控制轮毂不发生疲劳破坏，需要确保车轮的最大　工作应力不得超过规定循环次数　下的疲劳破坏许　可提供应力。　铝合金轮毂数字有限元分析的目的就是仿　真和优化，计算出轮毂的最大工作应力盯　和优化　轮毂结构，使得它的　不超过疲劳破坏许可应力　ｃｒｎ。即　≥　。　２．１．２　Ｉ－ＤＥＡＳ疲劳分析的基本步骤　一Ｉ—ＤＥＡＳ软件在轮毂有限元分析中的应用　李力重等　疲劳分析解决方案分为两个主要的步骤：首　先是用户在Ｉ—ＤＥＡＳ　ＮＸ／ＣＡＥ有限元分析中计算　出轮毂的动态（弯曲和径向）应力。然后，再用　Ｉ－ＤＥＡＳ　ＮＸ／ＣＡＥ的疲劳分析软件直接读入这些动态　应力的计算结果并进行疲劳寿命和损伤概率评估。　疲劳分析的主要根据是材料的Ｓ．Ｎ曲线。通　常材料的Ｓ—Ｎ曲线是使用简单的圆柱形试件在单一　简谐协载荷作用下所测得的。而实际的轮毂结构　是复杂的，承受的也是复杂的动载荷。轮毂的结　构复杂性和载荷复杂性对其材料的Ｓ—Ｎ曲线有着显　著的影响。为了分析轮毂的疲劳破坏，必须考虑　到结构形状和载荷形式对工作构件的疲劳破坏影　响。Ｉ－ＤＥＡＳ软件的疲劳分析提供了考虑到结构形　状和载荷形式的Ｓ—Ｎ曲线及其相应的疲劳分析评估　方法，可以真实地反映出实际试验的状态和结果。　Ｉ—ＤＥＡＳ　ＮＸ的疲劳分析方法和过程如图３所示。　圆一图＋　结构不会　疲劳　垒　累计损伤　因子＜１　计算整个　分别计算１．等效循环　每一个等Ｉ＋　　载荷集对　效循环载Ｉ　结构的累　荷对结构　不同形式　计损伤因　的损伤因　结构的材　料ＳＮ曲线　图３　ｌ＿ＤＥＡＳ　ＮＸ疲劳分析过程　通过有限元分析寿命评估，计算出轮毂在规　定载荷下完成预定寿命的概率（即损伤因子）和　最大寿命，如果不合格，则返回数据设计环节，　修改设计方案。重新分析，直到符合设计载荷要　求为止。　２．１．３　弯曲疲劳和径向疲劳有限元分析　弯曲疲劳和径向疲劳有限元分析的基本过　程：参照疲劳试验的状态，建立数学模型，然后　加边界条件和载荷，进行各个方向载荷下的应力　计算，最后根据材料的Ｓ—Ｎ曲线，对车轮进行寿命　和损伤概率评估。　基本步骤按照有限元分析的理论要求：前处　理（划分网格、施加边界条件），计算，后处理　（应力判读、寿命评估、输出）。　第一步：参照弯曲疲劳或径向疲劳试验状　态，建立数学三维模型。在Ｉ．ＤＥＡＳ软件的仿真模　块中，按照相应的要求，对模型划分网格，网格　质量检查无误后，可以进行下一步工作。　第二步：施加边界条件。Ｉ—ＤＥＡＳ软件中的边　界条件包括约束和载荷。弯曲疲劳有限元分析的　约束参照试验时的条件，保持内轮缘固定约束。　在轴端施加随时间变化的力，力的大小可根据载　荷计算得出，施加在轴端面的所有节点上。施加　边界条件后的效果如图４所示。径向疲劳有限元分　析的约束参照试验时的条件，保持法兰面固定约　束。在外轮辋上加各个方向上的力，力的大小可　根据载荷计算得出，施加在外轮辋的所有面上。　施加边界条件后的效果如图５所示。　约束条件，参照试验时的约束进行刚性约束　随　图４施加边界条件（弯曲疲劳分析）　约束条件，参照试验时的约束进行刚性约束　图５施加边界条件（径向疲劳分析）　第三步：建立边界条件集。边界条件施加完　成后，将约束和载荷做到一个边界条件集中，后　续的结算就以此边界条件集为基础。　第四步：建立有限元分析解算集。以边界　条件集为基础，建立解算集，解算集中的内容包　括：指定解算工位（即指定解算时间点，解算载　荷转一周的情况下，车轮各个状态下的应力），　指定输出项目（应力、应变、位移等项目）。　建立解算集后，就可以进行有限元分析的计　算了。计算出的结果是每个工位的静态结果。此　ｚ。。ｓ年第ｅ期ｌ　３７　Ｉ—ＤＥＡＳ软件在轮毂有限元分析中的应用李力重等　图９径向疲劳分析评估结果　２．２冲击试验的有限元分析　２．２．１　冲击分析原理　在简化的力学模型中需要事先由实验测定或　用橡胶专用软件计算确定支承的弹性系数ｋ、轮胎　的缓冲系数　。然后，就可以按正确的简化力学模　型和计算方法进行轮毂的冲击响应分析。　轮毂的冲击响应分析分为两大步骤：第一步　是计算轮毂的各阶固有频率的振型参数（固有频　率）；第二步是将轮毂的各阶固有频率的振型参　数输入动态响应分析模块，然后再输入冲锤的质　量和自由下落的高度去计算轮毂达到冲击响应。　冲击响应分析的结果是轮毂上的冲击应力分布。　２．２．２　冲击试验的有限元分析　按照冲击的有限元分析原理要求，根据固有　频率和各阶振型参数，进行前处理（划分网格、施　加边界条件），计算，后处理（应力判读、寿命评　估、输出）。分析基本步骤与其他试验的有限元分　析要求相似：参照冲击试验状态，建立数学三维模　型；施加边界条件；建立边界条件集；建立有限　元分析解算集；计算出各阶固有频率的模态和频率　值。　在此基础上，按以下步骤，建立冲击响应的　评估事件。　第一步：定义瞬态事件，解算集选用计算出　的固有频率的振型和频率值，如图１０。　第二步：定义冲击载荷、冲击高度、接触时　间等参数。冲击载荷按照产品标准的要求，输入　相应的冲锤质量。冲击高度按照铝合金轮毂的冲　击试验的标准要求，其高度采用同一的标准，如　图１１。　第三步：定义评估项目，如图１２。　第四步：评估结果处理，如图ｌ３。　添加各阶固有频率　图１ｏ定义瞬态事件　定义冲击载荷　定义冲击高度　图１１定义冲击参数　图１２评估项目　静应力最大位置在对轮辐部位，最大应力　图１３评估分析结果　ｚｏｏｓ年第ｅ期　Ｉ　３９　　２．３有限元分析结果　采用Ｉ—ＤＥＡＳ软件对铝轮毂的弯曲疲劳、径向　疲劳及冲击试验的分析结果如表２所示。　表２有限元分析结果　３　总结　轮毂有限元分析的主要难度和主要工作在于　如何建立准确的有限元模型（模型简化网格的划　征订启事　。　。　－　《铸造技术》杂志　《铸造技术》杂志（月刊，全年１　２期）为中　国铸造协会会刊，中文核心期刊，国内邮发代　号：５２－６４，国外发行号：０８５５ＢＭ，国际刊号：　ＩＳＳＮ　１０００－８３６５，国内刊号：ＣＮ６１—１１３４／ＴＧ，　国内外公开发行。本刊覆盖铸铁、铸钢和有色合　金等整个铸造技术领域，包括砂型铸造、熔模铸　造、金属型铸造、消失模铸造和压铸等特种铸造　技术。报道国内外铸造领域的先进科技成果、应　用技术、生产和管理经验及信息动态等。供企业　领导、管理人员、技术人员、产品和工艺设计　人员、大专院校师生、科研院所的工程研究人员　以及相关人员阅读。刊登铸造原辅材料、工装设　备、铸件生产、五金机电、化工、冶金、仪器仪　表、计算机、环保设备及专有技术的广告。　《铸造技术》杂志内容丰富，报道及时，是　进行科研、生产、企业管理的好帮手。直接向铸造　技术杂志社订阅，安全、快捷。也可以向当地邮局　（所）订阅。全年１２期，每期定价１２．ＯＯ元，全年　１４４．Ｏ０元。　地址：７１００４８西安理工大学６０８信箱　传真：　（０２９）８３２５１７０７　８３２８２４３０　电话：　（０２９）８２３１２１４０　８２３１２２９２　信箱：ｚｚｊｓｙｚ＠ｖｉｐ．１６３．ｔｏｍ　４０　ｌ　ｚ。。ｓ年第ｅ期　分、约束条件和载荷的施加）。这需要产品分析　人员具有较全面的力学知识和工程经验，而且，　还需要占用整个分析工作８０％以上的时间来进行　有限元建模工作。　通常产品分析人员具有较好的力学知识，但　缺乏设计工程经验；而产品设计人员具有产品设　计工程经验，但缺乏力学知识。我公司在２００５年　引进Ｉ—ＤＥＡＳ软件，并培训了一批专业的技术人　员。通过与其他设计分析软件的结合、对比，摸　索出了一整套基于此软件的有限元分析方法。借　助于Ｉ—ＤＥＡＳ软件智能化的有限元建模功能，发挥　其易学易用的特点，不但在轮毂传统的三大试验　的分析中进行广泛的应用，而且在对轮毂的固有　频率分析和刚性分析中也整理出一系列的分析应　用方法。　《中国铸造装备与技术》杂志　《中国铸造装备与技术》杂志于１９６６年创刊，　双月刊，济南铸锻机械研究所与中国机械工程学会　主办，为中国铸造业一份覆盖面广、影响力大的专　业刊物。定价：８元／期，全年４８元。　读者对象：铸造厂中高级管理决策人员、技术人　员、采购人员，科研院所管理及研发人员，政府机构　涉及铸造行业决策管理人员以及大专院校师生。　报导范围：铸造生产管理，砂型铸造工艺与装　备，特种铸造工艺与装备，黑色金属及有色金属材　料，铸造环境工程，铸造原辅材料，仪器仪表。　报导内容：铸造新工艺、新技术、新装备；　铸造设备的设计、制造、加工，铸造应用技术经　验交流，铸造车间设计，技术改造，最新铸造环保　技术及实用环保技术，计算机在铸造生产，铸件质　量控制等领域的应用，铸造标准宣惯，铸造行业学　会，协会活动，学术会议，展览会消息，技术转让，　人才交流等内容。　主要栏目：专题论述、试验研究、材料工艺、　装备技术、技术改造、环境卫生安全、设备维护和　业界资讯等栏目。　订阅途径：１．通过邮局：全国各地邮政局　（所）均可订阅，邮发代号：２４—６。２．通过编辑　部邮购部：地址：２５００２２济南市经十路４６４号，电　话：０５３卜８７９７９２９７，ｅ—ｍａｉ　ｌ：ｃｆｍｔ＠ｚｄｓ．ｃｏｍ．ｃｎ。　一