绞车轮毂有限元分析及优化设计

汽车轮毂有限元分析第⼆章理论基础与模型建⽴2.1 有限元技术及UG软件2.1.1 有限元法基本原理计算机辅助⼯程CAE(Computer Aid2ed Engineering) 指⼯程设计中的分析计算与分析仿真, ⽽有限元法FEM( FiniteElement Method)是计算机辅助⼯程CAE中的⼀种, 另外CAE还包含了边界元法BEM(Boundary Element Method) 和有限差分法FDM( Finite Difference Method) 等。

这⼏种⽅法各有其优缺点, 各有其应⽤领域,但有限元法的应⽤最⼴。

有限元法是求解数理⽅程的⼀种数值计算⽅法，是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合在⼀起的⼀种数值分析技术，是解决⼯程实际问题的⼀种有⼒的数值计算⼯具。

有限元是⼀种离散化的数值⽅法。

离散后的单元与单元间只通过节点相联系, 所有⼒和位移都通过节点进⾏计算。

对每个单元选取适当的插值函数,使得该函数在⼦域内部、⼦域分界⾯上(内部边界) 以及⼦域与外界分界⾯(外部边界) 上都满⾜⼀定的条件。

然后把所有单元的⽅程组合起来, 就得到了整个结构的⽅程。

求解该⽅程,就可以得到结构的近似解。

离散化是有限元⽅法的基础。

必须依据结构的实际情况,决定单元的类型、数⽬、形状、⼤⼩以及排列⽅式。

这样做的⽬的是将结构分割成⾜够⼩的单元,使得简单位移模型能⾜够近似地表⽰精确解【13】。

因次它可以对各种类型的⼯程和产品的物理⼒学性能进⾏分析、模拟、预测、评价和优化,以实现产品技术创新, 故已⼴泛应⽤于各种⼒学、电学、磁学及很多结合学科领域; 同时, 由于它能够处理耦合问题, 使得其有更⼤的应⽤前景。

你可以从专业的⾓度理解有限元:包括变分原理、等效积分和加权余量法等, 也可以从直观的意义上理解有限元: 把连续体划分为⾜够⼩的单元, 这些单元通过节点和边连接起来,通过选择简单函数(⽐如线形函数) 来近似表达位移或应⼒的分布或变化, 从⽽得到整个连续体物理量的分布和变化【14】。

汽车轮毂有限元分析及优化摘要：轮毂是汽车轮胎内用于支撑轮胎和固定轮胎内缘的圆柱形金属部件，与轮胎一起受到汽车载荷的作用。

本文针对某工厂生产的轮毂进行研究，利用有限元软件对其进行强度分析和结构优化设计，最终实现轻量化设计。

关键词：汽车轮毂；有限元分析；优化前言：为了提高汽车的行驶速度，节省油耗，就要在确保有足够强度的前提下，最大地降低轮毂自身的质量。

这是本文主要的研究的目的和方向。

在研究轮毂轻量化设计的同时，也需要考虑到轮毂的刚度，要满足这个性能则应适当地降低轮毂的变形量，以确保其轮辋圆度，确保汽车行驶的稳定性和可靠性，提高其安全系数。

一、轮毂结构分析设计在汽车轮毂的结构优化方面，运用CAE软件ANSYS，将轮辐和轮毂的厚度分别用参数来表示；根据弯曲疲劳试验将轮毂所承受的最大应力值作为约束条件，将汽车轮毂的总质量作为优化函数，对轮毂的尺寸进行优化，满足轮毂轻量化的要求。

对低速行驶的载重汽车车轮在超负荷工况下进行了有限元分析，得出，当其高速行驶时，受到较小的载荷作用，轮毂的失效形式为高周疲劳破坏；当汽车在低速行驶时，受到较大的载荷，可按低周疲劳计算不同车速下的极限载荷。

运用ANSYS有限元分析软件对轮毂进行结构强度的分析，根据分析结果，为了避免出现裂痕，所采取的措施是在螺栓孔和通风孔周围进行加厚。

然后将采取措施前后的结果进行强度比较，发现在增加轮辐螺栓孔和通风孔周围厚度后，轮辐的强度比优化前要高，实现轻量化要求。

基于有限元法综合考虑了汽车轮毂模态、轮毂刚度以及轮毂弯曲疲劳寿命的影响，建立了汽车轮毂优化设计模型，进行模态分析。

通过对汽车轮毂的优化计算，得出了符合轮毂参数要求的结构尺寸。

利用PATRAN软件建立以轮辐、轮毂的厚度为设计参数，汽车轮毂的质最小为最终结果的函数模型，根据软件的计算结果，轮毂质量大大减轻。

以辐板式车轮的优化数学模型建立了轮辐上各段圆弧的曲面半径以及弧面所对应的圆心角作为设计变量，轮辐的整个曲面弧长最小为目标函数进行优化设计，对其结构尺寸进行了优化，通过优化轮毂的质量明显减轻且发现优化后轮毂所受到的应力强度较小。

JC-40绞车滚筒轴的有限元分析与优化韩玉强【摘要】The static analysis of driving pulley shaft of the drawworks convey was conducted by using the software of ANSYS10. 0. The nodal deformed shape and von Misses stress distribution figure of the shaft were obtained successfully and found the deformation and stress of maximum position, proposed the axis of the improvement plan. The result of analysis is close to the academic calculating. According to the results of analysis, strength check, rigidity check and stress-strain were calculated and the result indicated that it was accord with the regulation of API, Which indicates the result is valid. A theoretical reference for the structural optimization design of the shaft was provided.%采用有限元分析软件ANSYS10.0对JC-40绞车滚筒轴进行建模,并对轴上附件的质量和受力进行简化和静力学分析,得到了滚筒轴的节点变形云图和应力分布云图,找出变形及应力最大位置,提出轴的改进方案.滚筒轴的最大平均等效应力与解析法求解结果数值接近.根据有限元分析结果对滚筒轴的强度、应力和刚度进行校核,结果均能符合美国API的设计要求,表明该分析结果具有实际应用价值,可为大型传动滚筒轴的设计优化提供理论依据.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2011(000)008【总页数】3页(P84-86)【关键词】ANSYS10.0;滚筒轴;有限元分析【作者】韩玉强【作者单位】宝鸡文理学院机电工程系,陕西宝鸡 721007【正文语种】中文【中图分类】TD528随着我国石油钻机种类的不断扩充和生产规模的不断扩大,与钻机配套的绞车正朝着大功率、大载荷和高速的方向发展。

重型汽车轮毂的有限元分析及优化设计摘要：目前，重型汽车轮毂主要用钢铁作为主要材料，而由于轻合金材料价格原因，重型轻合金轮毂材料使用很少。

轮毂是汽车上重要的安全性能零部件之一，在行驶过程中承受各种负载和高速产生的高温作用。

所以轮毂的结构设计好坏直接影响汽车在行驶过程中安全舒适性和操纵稳定性，本文主要以重型汽车轮毂为研究对象，对重型汽车轮毂的有限元分析及优化设计进行了探讨。

关键词：重型汽车轮毂；有限元分析；优化设计一、重型汽车轮毂选材1.选择轻合金材料在汽车行业中镁合金材料也已经开始被人们开始关注，因为它具有许多优点：（1）重量较轻、耗油量少节省能源。

由于其密度为1.74g/cm3相对钢重量来说，是钢轮重量的四分之一。

（2）具有降低噪声和减缓震动作用。

由于镁合金材料具有良好的阻尼系数，在行驶中有效的减震、降噪，给驾驶者一个平稳性，相对于铝合金和钢制材料驾驶时感觉更舒适。

（3）精度高。

由于镁合金材料具有良好的物理属性、化学属性以及尺寸稳定性，镁合金轮毂的制造精度高于钢轮，所以在高速行驶下可以保持很好地稳定性。

（4）散热效果好。

汽车在行驶时由于轮胎与地面接触摩擦会产生大量的热量，而镁合金材料的传热系数比钢制材料大近三倍，且制动片不易老化，所以行驶时镁合金轮毂相对来说散热较快，增加了安全系数。

（5）外形美观。

但是由于本文以重型汽车为研究对象，镁合金在塑造性差，后期制造加工困难和实验周期长，所以镁合金不易于作为重型汽车轮毂材料。

而铝合金车轮早已在汽车上为主要的使用材料，今后铝合金车轮的应用也是必然趋势。

无论是外形还是工业上，铝合金轮毂都象征整车档次，多变的车轮轮辐形态也为越来越多的人们所喜爱。

2.选择钢制材料根据《中国汽车轮毂行业市场现状及投资前景预测报告》显示，从2016年起，我国钢制轮毂在车配套需求量将超过16000万件，虽然铝合金生产量大于钢制轮毂但用在商用车上钢制占三分之二具有明显优势。

（1）易焊接，制造工艺简单。

《铝合金轮毂的有限元分析》篇一一、引言随着汽车工业的快速发展，铝合金轮毂因其轻量化、高强度、良好的抗腐蚀性等优点，在汽车行业中得到了广泛的应用。

然而，轮毂作为汽车的重要部分，其结构和性能对汽车的行驶稳定性和安全性具有重要影响。

因此，对铝合金轮毂的结构进行准确的分析和优化显得尤为重要。

本文通过有限元分析方法，对铝合金轮毂的结构性能进行了深入的研究。

二、铝合金轮毂的有限元模型建立1. 模型简化与假设在进行有限元分析前，需要对铝合金轮毂的实体模型进行简化。

简化过程中，我们假设轮毂的材料是均匀且各向同性的，忽略微小的不规则形状和细节。

同时，我们忽略了轮毂制造过程中的工艺影响，如铸造缺陷、热处理不均等。

2. 网格划分在有限元分析中，网格的划分对分析结果的准确性具有重要影响。

我们采用高精度的四面体网格对铝合金轮毂进行划分，确保在关键部位如轮辐、轮缘等处的网格足够细密。

3. 材料属性定义铝合金轮毂的材料属性包括密度、弹性模量、泊松比、屈服强度等。

这些参数的准确设定对分析结果的准确性具有重要影响。

我们通过实验测定和文献查阅，获取了准确的材料属性。

三、有限元分析过程1. 边界条件设定在有限元分析中，边界条件的设定是关键的一步。

我们根据实际情况，设定了轮毂的约束条件和载荷条件。

如，轮毂与轴承的接触部位设定为固定约束，而轮毂所受的力则通过力载荷或压力载荷的方式进行施加。

2. 应力与应变分析通过有限元分析软件，我们对铝合金轮毂进行了应力与应变分析。

在各种工况下，如制动、加速、转弯等，对轮毂的应力与应变进行了详细的计算和分析。

通过分析结果，我们可以清楚地看到轮毂的最大应力和应变位置，为优化设计提供依据。

四、结果与分析1. 应力与应变分布情况通过对铝合金轮毂的有限元分析，我们得到了其应力与应变的分布情况。

结果显示，轮毂在制动等工况下，应力主要集中在轮辐和轮缘的交界处，而应变则主要发生在轮缘部位。

这为我们提供了优化设计的方向。

科学技术创新2020.29汽车轮毂设计工作开展时，需综合考量汽车轮毂的美观性与可靠性，确保汽车轮毂达到国家行业设计标准。

为提升汽车轮毂设计工作整体水平，可合理应用有限元分析技术，开展汽车轮毂仿真模型试验，对汽车轮毂结构、材料、强度等进行优化，保证汽车轮毂设计工作的可靠性。

鉴于我国汽车保有量的不断攀升，汽车生产工艺不断提升，为实现轻量化节能设计目标，需对汽车轮毂设计方式进行合理创新。

1有限元分析在汽车工程领域的应用结构分析：应用有限元分析技术，可实现对复杂的汽车发动机零部件、汽车变速器壳体、车身和汽车轮毂的结构进行校核与优化，同时分析其相应的弯曲刚度、材料强度、扭转刚度析等；碰撞安全分析：为保证汽车轮毂具有一定可靠性与安全性，可基于有限元技术开展汽车碰撞实验，对行人保护系统、约束系统进行可靠性评估，判断汽车轮毂的整体安全性与可靠性。

CFD 分析：该种分析工作，主要是对整车流场进行评估分析，评估发动机舱热流场的实际变化规律，保证整体运行安全性与可靠性；NVH 分析：该项分析工作，主要对汽车的动态刚度与震动噪声进行分析，基于有限元分析技术对汽车轮毂设计方案进行合理优化，提高汽车运行的整体舒适度与安全性[1]。

2有限元分析技术在汽车轮毂设计中的应用研究2.1汽车轮毂设计问题解析通过对前人的汽车轮毂设计工作进行解析可知，汽车轮毂设计工作开展阶段，轮毂结构设计与造型设计独立开展，如汽车企业依据汽车设计造型进行车辆轮毂造型设计，在汽车轮毂的设计造型通过审核后，建构对应的三维模型，确保汽车轮毂造型与车身融为一体。

而后依据审核通过的造型设计要求，开展后续的轮毂结构设计工作，由于轮毂造型设计的局限性，使得结构设计无法达到预期安全要求。

为保证汽车轮毂设计方案的可靠性，达到国家标准的要求，需对汽车轮毂结构设计方案进行反复修改处理，不仅增加了汽车轮毂结构设计工作量，同时升高了结构设计方案的风险性，使得汽车整体生产制造受到影响，不利于车企整体运营管理。

基于ANSYS的绞车结构的滚筒部件有限元分析1.概述：本文基于ANSYS软件对绞车结构的滚筒部件进行有限元分析，分析滚筒在绳索压力下的强度和刚度情况，绳索对滚筒外表面的压力载荷为10.82MPa，计算结果表明滚筒部件满足强度要求。

2.几何建模：根据二维模型建立滚筒三维模型，二维模型如图1所示，利用ansys的前处理软件直接进行建模，这样ansys分析时候可以直接调用该几何，不需要进行几何导入导出，避免出错。

三维模型如图2所示。

图1 滚筒二维模型图2 套筒三维模型3.有限元模型建立首先建立材料属性，滚筒材料为HT200，抗拉强度和塑性低，但铸造性能和减震性能好，主要用来铸造汽车发动机汽缸、汽缸套、车床床身等承受压力及振动部件。

材料弹性模量为1.57e5MPa，泊松比为0.27。

参考GB/T 9439-2010标准，如图3所示，HT200的屈服极限取130MPa，为保守设计，所以取下限。

图3 HT200材料在ansys中建立材料属性，材料参数如上所述。

图4 材料属性滚筒结构存在倒角，所以采用四面体网格划分，为了保证计算精度，采用高阶四面体网格进行划分，单元类型为solid187。

solid187单元是一个高阶3维10节点固体结构单元，SOLID187具有二次位移模式可以更好的模拟不规则的模型单元通过10个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度.单元支持塑性，超弹性,蠕变,，应力刚化，大变形和大应变能力.还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。

图5 solid187单元类型最终网格划分情况如图6所述，其中网格总数为59509，节点总数为101234。

对倒角和圆孔区域进行了网格加密，保证计算精度图6 有限元网格图7 局部加密4.载荷约束滚筒结构与电机和端盖连接，如图8所示，本文主要对滚筒结构进行强度分析，滚筒结构与电机是通过轴承连接，此处不考虑电机与轴承，约束滚筒结构与轴承配合面的自由度，滚筒右边与端盖连接，端盖与底座连接，不考虑端盖模型，在滚筒与端盖连接的法兰螺栓处施加约束。