环球视点!基于PERA SIM的铝合金轮毂有限元分析

2022-12-07 12:16:20 来源:软服之家

安世亚太结构工程师


(资料图)

安小龙

摘要:轮毂的力学性能是汽车安全性及可靠性的重要影响因素,作为汽车的重要承载部件,需要严格保证轮毂的性能满足国家标准的要求。本文以某乘用车轮毂为研究对象,应用自主有限元软件PERA SIM建立轮毂有限元模型,并依据国家标准 GB/T5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》建立仿真工况,完成轮毂的刚度、强度分析,为轮毂的进一步结构优化设计提供了依据。并将计算结果与目前主流的商业软件ANSYS、ABAQUS比对,验证了国产自主软件PERA SIM的高精度计算。

关键词:轮毂;刚度;强度;PERA SIM;高精度

1. 引言

随着能源问题以及环境保护问题在全世界范围内的备受关注,汽车行业的轻量化成为汽车发展的重要方向。而对于新材料的使用是主要的解决方案之一,其中铝及铝合金因其密度低,刚度、强度高,并且具有良好的耐腐蚀性、冲击性以及散热导热等性能,能够有效降低汽车重量,从而降低油耗,缓解能源问题及环境保护问题。因此,铝合金材料已经成为汽车轻量化不可或缺的重要材料。

轮毂是汽车承载的重要部件,处于轮胎与车桥之间,传递着汽车与地面之间的相互作用力,起着承载、转向、制动、驱动等重要作用,因此轮毂对汽车的安全性及可靠性有着重要的影响。而轮毂主要分为三种材质:钢制、铝合金及镁合金。其中钢制轮毂主要用于重载车辆;镁合金轮毂因其价格昂贵,主要用于赛车等高级车;而铝合金轮毂因其良好的导热性、减震性能、质量轻、成形性好等优点备受市场的青睐。(铝合金轮毂的基本结构示意图如下图1所示。)

因此,也吸引了更多学者进行铝合金轮毂性能的研究。其中潘玉田等人以履带式自行火炮轮毂为研究对象,分别比较了钢质及铝合金轮毂的性能;边雷雷以重载车用铝合金轮毂为研究对象,结合有限元法对轮毂进行了疲劳分析。本文将基于GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和实验方法》的要求,建立弯曲疲劳试验的仿真工况,并基于国产自主软件PERA SIM进行轮毂的静力学仿真分析,为轮毂的进一步优化设计提供指导。

图1 轮毂结构图

2. 轮毂有限元模型的建立

2.1轮毂模型的简化

轮毂的几何结构十分复杂,轮毂上分布着包括气门孔、修饰凹槽、装饰圆角等结构。过小装饰结构特征对轮毂的强度分析几乎没有影响,并且由于结构尺寸的影响,会导致不必要的计算成本增加。因此,在有限元分析之前,需要对轮毂的几何结构作适当的简化:去除气门孔以及各种修饰特征。

简化后的轮毂几何模型如下图所示:

图 2轮毂几何模型

2.1轮毂的有限元模型

2.2.1计算流程

PERA SIM是安世亚太科技股份有限公司自主开发的通用有限元软件,包括机械仿真(PERASIM Mechanical)、流体仿真(PERA SIM Fluid)、电磁仿真(PERA SIM LEmag)以及声学仿真(PERA SIM AcousticBEM)等模。PERA SIM提供完备的前后处理器,丰富的CAE数据接口以及强大的Python API接口。本文基于自主有限元软件PERA SIMMechanical,对轮毂进行强度、刚度分析,具体分析流程如下图所示。

图 3轮毂有限元分析流程

2.2.2划分网格

PERA SIM支持四面体网格以及混合网格划分,考虑到轮毂复杂的几何结构,本文使用高阶四面体网格划分。通过全局以及局部网格控制,对轮毂模型的局部关键位置进行网格细化,划分该轮毂模型共产生33万单元,52万节点,轮毂的网格模型如下图所示:

图 4轮毂网格模型

2.2.3定义属性

点击“属性”,输入轮毂的材料属性,定义为各项同性的线弹性材料,其中弹性模量:7.1E10 Pa,泊松比:0.33,密度:2770 kg/m3。定义轮毂的截面属性,并将材料属性与截面属性一同赋予给轮毂结构。

图 5属性定义界面

2.2.4边界条件与载荷

有关乘用车车轮的性能要求和试验方法在国家标准GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和实验方法》中已有明确规定。而轮毂在实际工作中的主要失效形式是弯曲疲劳失效,在静力学分析时,应当重点关注弯曲工况下的静应力。因此,本文主要参考标准中的动态疲劳弯曲试验方法:固定车轮,使车轮承受旋转的弯矩载荷;或者弯矩方向不变,使车轮旋转。具体安装、施加载荷方式如图6所示。

图 6动态疲劳弯曲试验方法

在进行轮毂的有限元分析之前,需要计算对轮毂施加的载荷 。加载轴末端的施加载荷F可以表示为:

其中:

W—整车重量;

ni—载荷系数;

G—满载负荷。

而载荷系数ni的计算公式如下:

其中:

ni—轮毂的制造质量系数;

n1—路况的影响系数;

n2—汽车的载荷系数;

n3—其他相关影响系数。

在轮毂的实际工作中,除汽车载重外,还承受弯曲载荷M,弯曲载荷的具体计算公式如下:

其中:

R—静负载时的半径;

μ—地面与轮胎之间的摩擦系数;

d—轮毂的偏置距离;

F—最大的额定载荷;

S—强化实验系数。

加载力F为:

其中:L—加载臂长度,本文取1m。

对于试验载荷的大小,本文以某乘用车为例,经计算可求出施加的载荷为F=1400N(加载臂长度为1 m)。

因此,本文根据GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和实验方法》的要求,基于国产自主软件PERA SIM模拟实验条件,建立某乘用车轮毂的静力学模型,对轮毂的单侧轮缘面施加固定约束,在总体坐标系下的(2.8533,-818.74,113.08)处,建立节点,并与五个螺栓孔内表面建立RBE3连接,在建立的节点上施加Z向集中载荷1400 N以及X向力矩1400 N*m。具体情况如下图所示。

图 7轮毂边界条件与载荷

值得注意的是,RBE3连接是一种柔性连接,本质上是MPC形式的约束方程,其单元为内插值单元,无刚度矩阵,仅涉及到载荷的分配,因此更加能缓解局部位置的应力集中。与此相对的RBE2连接,是一种刚性连接,类似于线性刚体单元,对从节点施加强制的位移边界条件,易造成应力集中现象,因此本例中使用的是RBE3的柔性连接。

3. 有限元计算结果

基于PERA SIM对乘用车轮毂进行有限元分析,进行网格无关性验证,并将计算结果与成熟商业软件比对。根据表1可以发现,当网格达到33万左右时,继续加密网格,变形量与等效应力基本不再变化(浮动在1%以内),因此,为平衡计算成本与计算精度,本文采用329459单元数,515620节点的网格规模。

表 1网格无关性验证数据

PERA SIM计算结果:

a)变形

b) 等效应力

图 8PERA SIM计算结果云图

如上图所示,在外载荷的作用下,轮辐受到的影响最大,螺栓孔的边缘处承受较大的应力,与实际情况相符,最大应力为109.1 MPa,远小于铝合金的屈服强度240 MPa,因此本文中乘用车的轮毂仍有较大的强度裕度,轮毂整体的最大变形量为0.1495 mm,满足要求。因此,可以对轮毂做进一步的优化设计,减轻轮毂自重。

通过目前主流的成熟商业软件ANSYS、ABAQUS,基于相同的几何模型、边界条件及外载荷、求解设置等参数进行计算,并分别进行网格无关性验证后的计算结果如下图所示,与自主软件PERA SIM的计算结果比较如表2所示。

ANSYS计算结果:

a)变形

b) 等效应力

图 9ANSYS计算结果云图

ABAQUS计算结果:

a)变形

b) 等效应力

图 10ABAQUS计算结果云图

表 2计算结果比对

对比不同软件的计算结果,可以看到自主软件PERA SIM的计算结果(变形与等效应力)与目前主流的成熟商业软件ANSYS、ABAQUS之间的偏差极小,其相对误差均在3%以内,验证了国产自主软件PERA SIM的高精度计算。

5. 结论

本文基于自主有限元软件PERA SIM建立某乘用车轮毂的有限元模型,并依据GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和实验方法》的要求模拟实验工况,基于PERA SIM的后处理,可以清晰的显示出轮毂的应力及变形分布情况,对轮毂的进一步优化设计具有重要指导意义。此外,又分别通过ANSYS、ABAQUS软件基于相同的参数设置对轮毂模型进行分析,并对比三者的计算结果偏差,结果显示在保证边界条件与载荷相同的前提下,三者的变形结果与等效应力结果基本一致,偏差均在3%以内,验证了自主软件PERA SIM的高精度计算。


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标签: 有限元分析 性能要求 等效应力

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