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车轮钢制轮辋的有限元疲劳分析

韦倾  
【摘要】: 在汽车工程学中,汽车车轮是一个在很大程度上决定人身安全生死攸关的重要构成和功能部件。疲劳测试是一项用于车轮轮辋原型确定的传统耐久性测试。针对车轮动态弯曲疲劳试验建立车轮的静态线性有限元模型,它可以有效地用来确定车轮结构的寿命及危险点,即结构中计算应力(von Mises应力)比较大的点。结构危险点的计算应力反映该处的应力集中程度。对车轮上计算应力较大的点进行分析,能验证实际的测试结果。 本文所研究的车轮是三件式装载机车用轮辋,按照钢制轮辋的国家标准构建模型,试验载荷则是根据GB5909-86载货汽车车轮实验方法标准中汽车车轮的性能要求和实验方法所规定的弯曲疲劳试验以及径向疲劳试验施加的。在车轮的构建上,本文采用了三维绘图软件UG,在UG中首先完成车轮三维几何建模,然后导入到CAE软件ANSYS里进行修改并进行有限元网格的划分、边界载荷的加入、材料特性的定义以及接触定义,最后对车轮进行强度分析。分析计算结果表明:最大应力值远小于车轮的许用应力,强度储备很大,造成了材料的浪费,存在着进一步优化的潜力和必要。接着使用ANSYS中的Fatigue模块对车轮进行疲劳寿命预测。预测结果合格。最后在ANSYS中定义设计变量(分别为轮辋和轮辐的厚度),确定设计目标(使车轮质量最小),以最大应力不超过车轮材料的许用应力为限,进行优化设计。结果表明:在不增加车轮最大许用应力值的情况下,优化后的车轮的应力分布更加合理,充分利用了材料,减轻了重量,降低了成本。 本文介绍了应用ANSYS对车轮进行疲劳寿命分析、优化设计的具体过程。本文首次提出存在接触的三件式装载机车轮的疲劳试验模式,并首次提出径向疲劳试验的模拟方式以及对之进行了分析。本次研究结果显示了ANSYS在疲劳寿命分析和优化设计中的作用和意义,应用ANSYS对车轮进行疲劳寿命分析和优化设计方法适用于指导任何其它型号车轮的生产。


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