（车辆工程专业论文）基于ansys的汽车轮毂性能试验专用分析程序开发.pdf

硕士论文基于a n s y s 的汽车轮毅性能试验专用分析程序开发 摘要 轮毂是汽车系统的重要部件，其力学性能成为直接影响汽车安全性能的关键因 素。c a e 技术已成为机械产品开发中的一项重要工具，轮毂供应商通过对轮毂的各 项力学性能合理精确的有限元分析，可以优化轮毂设计、保证强度要求、减少试验次 数、缩短开发时间并取信于汽车厂商及消费者。 本论文以汽车铝合金轮毂为研究对象，集成a n s y s 参数化设计语言a p d l 和 m a t l a b 图形用户界面开发模块g u i d e 开发出针对汽车轮毂性能试验有限元分析 的具有人机交互中文界面的专用程序。汽车轮毂性能试验包括弯曲疲劳和冲击两大试 验。 本文首先根据轮毂性能试验规范，运用a n s y s 参数化设计语言a p d l 编写轮毂 弯曲疲劳和冲击两大试验有限元分析的命令流。其中包括前处理，求解，输出单元应 变、应力和后处理的参数化操作。 在m a t l a b 软件的图形用户界面开发模块g u i d e 编程环境下，结合a p d l 语 言，编写出能够针对不同款式轮毂自动生成a n s y s 命令流的专用有限元分析程序。 在相关试验参数改变后用户只需要通过程序界面输入更改参数就可以产生自动进行 有限元分析的a n s y s 输入文件。 最后，应用此专用分析程序对一款轮毂进行有限元分析，得到轮毂弯曲疲劳和冲 击两大试验的有限元分析结果。通过疲劳理论分析轮毂弯曲疲劳有限元分析结果并预 测是否能通过实际弯曲疲劳试验：随后对这款轮毂进行实际弯曲疲劳试验，验证有限 元分析结果。同时用企业标准预测这款轮毂是否通过冲击试验，并做了试验验证。 关键词：轮毂，有限元，弯曲疲劳，冲击，a n s y s a b s t r a c 硕士论文 a b s t r a c t w h e e li sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h ev e h i c l es y s t e m n l em e c h a n i cp e r f o r m a n c e o fw h e e ld i r e c t l yd e t e r m i n e st h es e c u r i t yo fv e h i c l e c a et e c h n i q u eh a sb e c o m et oa l l i m p o r t a n ti m p l e m e n ti nt h er e s e a r c h & d e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a lp r o d u c t i o n s u s i n g f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st oa n a l y z et h em e c h a n i cp r o p e r t i e so fw h e e l ，t h ew h e e ls u p p l i e r s c a no p t i m i z et h ed e s i g no fw h e e l ，s e c u r et h es t r e n g t h ，r e d u c et h en u m b e ro ft e s ta n dd e s i g n t i m e ，a n dc o n v i n c et h ev e h i c l em a n u f a c t u r e r sa n dc o n s u m e r s t a k i n gv e h i c l ew h e e la st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h i sp a p e ri n t e g r a t e s 触q s y sp a r a m e t r i c d e s i g nl a n g u a g ea n dm a r l a bg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c et od e v e l o pap r o f e s s i o n a l p r o g r a mw h i c ht a k e st h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ew h e e l sc o r n e r i n gf a t i g u et e s ta n d i m p a c tt e s tu s i n gm a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o nm o d e l t h j sp a p e rp r o p o s e st h ep r o g r a m m i n go f b o t hc o m m a n df l o w so fw h e e lf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i su s i n ga p d l u n d e rt h ew h e e l sc o r n e r i n gf a t i g u et e s ta n di m p a c tt e s tc r i t e r i o n s 1 1 1 ep r o g r a mi n c l u d e sp r e c e d i n gm a n a g e m e n t ，s o l u t i o n ，g e t t i n gt h ee l e m e n t ss t r e s sa n d s t r a i n ，a n dp o s tm a n a g e m e n t ， t l l i sp a p e rd e v e l o p st h ep r o f e s s i o n a lp r o g r a mw h i c hc a n a u t o m a t i c a l l yo u t p u tt h e r e l e v a n ta n s y sc o m m a n dd o c u m e n t so fd i f f e r e n tw h e e l su n d e rn 协t l a bg u i d e p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t b yt h i sp r o g r a m ，u s e rn e e d so n l yt oi n p u tt h ec h a n g e dt e s t i n g p a r a m e t e r si nt h em a i l - m a c h i n ec o n v e r s a t i o ni n t e r f a c et og e tt h ea n s y si n p u t - f i l ew h i c h c a no r d e ra n s y st od oa n a l y s i sa u t o m a t i c a l l y i nt h ee n d ，t h ef i n i t ea n a l y s i so fo n ew h e e l sc o r n e r i n gf a t i g u et e s tw a st a k e nb yt h i s p r o g r a m t m sp a p e rd i s c u s s e st h ef a t i g u et h e o r ya n dp r o g n o s t i c a t e si ft h ew h e e l sw o u l d p a s st h et e s t i nt h em e a nt i m e ，t h ei m p a c tt e s tf i n i t ea n a l y s i sw a st a k e na n dt h ec o n c l u s i o n w a sa n a l y z e db yt h ec o m p a n y sc r i t e r i o nt op r o g n o s t i c a t er e a li m p a c tt e s t n l er e a lt e s t s w e r et a k e nt ov a l i d a t eb o t hr e s u l t so f t h et w of i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s e s k e yw o r d s ：w h e e l ，f i n i t ee l e m e n t ，c o r n e r i n gf a t i g u e ，i m p a c t ，a n s y s i i 声明尸i j j j 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：羔基墅九讲年6 月万日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：九唧莎年石月姗 硕士论文基于a n s y s 的汽车轮毂性能试验专用分析程序开发 1 绪论 1 , 1 课题的工程背景 1 1 1 汽车轮毂的特点和测试方法概况 轮毂是汽车系统的重要部件，起着承载、驱动、转向、制动等作用，其安全性能 尤为重要。近年来，随着车速的提高，轮毂的性能成为直接影响汽车制动安全性、操 纵稳定性、行驶平顺性等重要指标的关键因素。依材料的不同，汽车轮毂可分为铁圈、 钢圈和铝合金圈。随着科技的进步，现今之各项产品，无不以轻、薄、短、小为发展 趋势。汽车业界之发展亦然，其各项零件都在寻求各种可替代之材质，如铝合金引擎 的诞生、车内配件的塑料化等，无不在强度可达到需求的条件下，改为采用他种材料 替代，达到轻量化及降低成本的目的。铝合金轮毂已成为目前汽车上最常采用的轮毂， 其优点有以下几点： ( 1 ) 质量轻，省油：相同尺寸的铝合金轮毂质量较之钢圈更轻，且油耗性更是 比钢圈优异，尺寸越大差异越明显。 ( 2 ) 散热性好，增加轮胎寿命：铝合金不仅传热性能极佳，而且其多变的造型 设计可以帮助通风散热，因此可以提高轮胎寿命，减少爆胎的危险。 ( 3 ) 可回收再利用：铝材回收成本较钢材低，再利用效率高，符合环保要求。 ( 4 ) 真圆度高及均质性较佳：可以提高车轮运动精度，降低车辆行驶时的振动 与噪音 ( 5 ) 造型美观：用铸造法生产的铝合金车轮，可以制出任意空间曲面和形状， 迎合不同用户的要求。 综上所述，铝合金轮毂有很大的优点，但它也存在着缺点： ( 1 ) 质脆：通常延伸率较低，允许变形的能力较差。所以品质不佳的铝合金轮 毂容易发生断裂的危险 ( 2 ) 品质一致性较差：因为制造过程复杂( 包括材质成分、铸造技术、模具设 计、热处理过程、切削及涂装过程等) ，容易引起质量问题。 ( 3 ) 制造成本高。 影响轮毂安全性能的因素有：造型结构、材料强度、铸造技术及热处理过程等， 一般而言无法从轮毂外观来判断其安全性能，所以对轮毂进行安全性能测试是非常重 要的一项内容。一般常用的测试项目有三项： ( 1 ) 弯曲力矩疲劳试验：此试验用来模拟车辆转弯时轮毂在必须承受的弯曲力 矩的反复作用下，肋骨和盘面是否仍在规定寿命内，是否产生裂纹和螺栓松脱的危险 情况。 1 l 绪论硕士论文 ( 2 ) 冲击试验：用来模拟车辆行驶时，如发生冲撞安全岛、路沿石、路面突出 物及坑洞的情况，轮毂所必须承受的冲击力，肋骨和盘面是否产生龟裂或轮胎急速泄 气的危险情况。 ( 3 ) 径向负载耐久试验：模拟车辆直线行驶时，于轮毂所必须承受力的反复疲 劳作用下，轮毂的肋骨和盘面是否仍在规定寿命内，是否产生裂纹、轮胎急速泄气和 螺栓松脱的危险情况。 1 - 1 2 国内外相关研究现状 近年来，计算机仿真分析已经成为开发过程中一项必备的工具。在汽、机车的相 关零配件产业领域上也有着相同的需求。早在几年前，各大汽、机车厂对于其下游各 种零配件的供货商做评鉴时，早已经将计算机仿真分析的能力列入其中。尤其，铝合 金轮毂是属于汽、机车零配件中的重要保安项目，它的安全与否就显得更加重要。轮 毂供应厂商唯有透过合理的计算机仿真分析及预测破坏，才能取信于各汽、机车厂及 使用者，并为自己的产品提供多一层的保障。 对于铝合金车轮的数值分析，国内已经有多个高校展开了研究，其中高校与企业 合作的铝合金车轮项目正在企业中发挥着重大的经济效益。但是国内目前的研究还仅 仅是研究进行轮毂试验有限元数值模拟的一般方法，像本论文一样结合a n s y s 参数 化分析方法开发出能够生成适用于任何轮毂的分析软件的单位还没有。因此，本论文 的成果大大减少了轮毂企业的开发成本和时间，在实际生产中发挥了巨大的经济效 益。 文献 1 】是台湾元智大学开发的铝合金轮毂自动设计修复程序，对铝合金轮毂的 弯曲疲劳、冲击以及径向试验做了有限元分析，并在m a t l a b 中开发出一套针对铝 合金轮毂结构优化的模糊逻辑自动设计修复程序。文献 2 】是土耳其s a k a r y a 大学提出 钠德一种建立在对局部应力分析基础上的铝合金轮毂疲劳寿命预测和破坏起始位置预 测的有限元计算机模拟方法。文献 3 】是印度a n d l m 大学提出的一种基于材料s - n 曲 线和已有实际试验数据的轮毂疲劳寿命预测方法，文章通过对有限元分析数据和实际 试验数据的比对提出一套判定影响轮毂安全因素的方法。文献 4 以有限元分析数据 和轮毂弯曲疲劳试验为基本参数，使用名义应力法和局部应力一应变法对车轮在等幅 载荷和载荷谱作用下的疲劳寿命进行预测；并运用可靠性理论对疲劳寿命进行可靠度 分析。文献 5 】采用改进的史密斯公式进行疲劳寿命预测，以l b f 研究所的八级载荷 谱作为车轮工作时的载荷谱从而应用于车轮的疲劳寿命预测中。文献 6 是燕山大学 与戴卡轮毂制造有限公司合作的横向课题，主要对旋转弯曲疲劳试验，径向疲劳试验 以及冲击试验建立与等效有限元模型，并进行分析。针对弯曲疲劳试验模拟出轮毂在 螺栓预紧状态下加载后轮毂、加载元件以及螺栓的应力分布；针对冲击试验模拟出冲 2 硕士论文基于a n s y s 的汽车轮毂性能试验专用分析程序开发 击的全过程，分析轮毂在冲击过程中的应力分布。文献 7 1 1 8 重点对轮毂弯曲疲劳试 验进行有限元分析并在此基础上进行优化设计，并对载荷加载方式和边晃条件进行了 讨论和分析比较。文献【9 】将实际试验结果与经验结合找出疲劳破坏的薄弱点，在对 弯曲疲劳试验分析后直接对薄弱点的结构进行结构改进。文献 1 0 1 对行进中的车轮进 行分析，分析轮胎的外部载荷( 径向力、圆周力侧向力、以及轮胎压力) 对车轮的影 响，以此对车轮进行疲劳寿命预测，最后进行车轮疲劳寿命的可靠性分析。文献 1 1 】 对车轮弯曲疲劳试验建立静态线性有限元模型，主要分析了两种汽车轮毂，并对有限 元分析结果进行了试验验证。文献 1 2 对某型钢轮辋轮辐进行分析，将车轮的复杂工 况简化为静态载荷计算，除了考虑到轮辐所受的基本作用力外，还考虑到因汽车行驶 轮辐所受的附加作用力。 1 2 课题来源与意义以及主要研究内容 1 2 1 课题的研究意义 本文结合启东贸联铝合金科技公司的铝合金轮毂的实际设计开发过程展开研究。 随着订单的增加，贸联铝合金科技公司迫切需要通过对轮毂试验进行有限元分析来缩 短开发时间，优化轮毂设计并降低成本。 本文所指的轮毂性能试验是轮毂弯曲疲劳以及1 3 度冲击试验。本课题针对这两 种试验的有限元分析过程进行a p d l 参数化编程，并在此基础上应用m a t l a b 软件 的g u i d e 模块开发出基于a n s y s 的具有人机交互中文界面的专用轮毂分析软件。 在开发新款轮毂时，相关试验参数必然会改变，然而用户只需要通过专用轮毂分析软 件的界面输入更改相关参数就可进而生成针对此新款轮毂的a n s y s 输入文件( 命令 流文本) 。用户只需要在a n s y s 内导入输入文件和轮毂几何模型即可自动进行有限 元分析。企业开发人员不需要专业的a n s y s 操作知识即可进行一键式的分析并得到 需要的结果。此软件已开发成功并已投入企业的实际开发，大大缩短了轮毂新产品的 开发周期，降低了试验成本和人力成本，产生了良好的经济效益。 由于轿车铝合金轮毂是汽车的重要承载部件，而且又是汽车重要的体现外观造型 的零部件，因而要求其造型美观、强度高、质量轻；对于轮毂生产企业来说，制造轮 毂的成本也是一个重要的考虑因素。在传统开发过程中，为了既保证轮毂质量又尽量 减少其材料用量，一款新样式的轮毂，往往要进行多次的试验和修改。原因是工程师 仅凭经验无法准确判断轮毂是否能通过实际测试以及轮毂会在何部位发生破坏，只能 盲目进行减重设计或修改设计以提高强度。这样造成了前期的设计开发周期过长，开 发成本太高。不含有限元分析的原有产品开发过程如图1 2 1 所示。应用有限元数值 模拟技术，改变了原来的仅靠经验进行产品开发的传统模式，有限元分析结果为轮毂 l 绪论 硕士论文 产品的设计开发人员提供了重要的设计依据。 由 、 图1 2 1 不含有限元分析的原有产品开发过程 在此基础上开发的专用分析程序可以代替人工操作，自动产生a n s y s 命令流， 更进一步减少了有限元建模和分析时间。设计人员结合疲劳破坏和冲击破坏理论和自 身丰富的经验这三大方面判断轮毂能否通过实测，并预测有可能在实测中破坏的危险 部位，有针对性的对轮毂的特定部分进行修改，从而避免了盲目的设计开发，进而缩 短了开发周期，提高了产品试验一次通过率，减少试验次数，因而大幅度降低了设计 开发费用。本课题对汽车铝合金轮毂的前期设计开发具有重要的指导意义及应用价 值。图1 - 2 2 为贸联公司将专用有限元分析程序加入开发流程后的开发流程图，在绘 制设计图之后，必须要经由专用有限元分析程序预测测试结果，并出具分析预测结果 报告，送交客户确认审查并进行后续的开发程序。绪论第一节中介绍到轮毂的实际测 试包括弯曲力矩疲劳试验，冲击试验和径向疲劳试验三大测试。图1 2 2 所示的开发 流程中，最关键的部分为轮毂弯曲疲劳和冲击性能测试结果的预测，唯有建立起弯曲 疲劳和冲击试验专用有限元分析程序，才能较为准确地预测所设计的轮毂模型是否能 通过实际的性能测试。 在绝大部分情况下，能通过弯曲力矩疲劳试验的轮毂都能通过径向疲劳测试。然 而径向疲劳测试是判定轮毂是否合格的规范测试，所有轮毂都必须通过径向疲劳测试 以符合法规要求。但从有限元分析的角度讲，径向疲劳测试的分析程序就不是必要的 4 硕士论文 基于a n s y s 的汽车轮毂性能试验专用分析程序开发 j 。 必须说明的是，此处欲建立的轮毂性能试验有限元分析程序和破坏预测方法并非 要完全取代实际性能测试，而是希望提供仿真结果给设计工程师，以作为设计时的参 考。在设计完成后，仍旧必须将所设计的轮毅制作出来，并进行实际的性能测试。 如果在预测过程中预测原始设计无法通过性能测试时，必须由设计工程师针对预 测破坏的情况对策修改，再进行下一次的分析，直到预测结果为通过。相反地，如果 在破坏预测过程中预测原始设计结构过强( 即破坏概率较小) 时，也必须由设计工程 师针对进行减重设计，再进行下一次的分析，直到接近可接受的破坏概率为止。如果 在试作后实际进行性能测试无法通过时，必须由设计工程师针对实际破坏的情况再进 行分析，直到预测结果通过为止。 蚕扎j 面提供轮，加入锚卧祭折的5 珥悖衬据f 毂造型 l 删八7 胃驯刀v 旧。驯胍坦佳i 土 绘制设计图与 建立3 d 计算机 梗具图 一7 模型 一一i _ 一 +千 一 否 置 ii 悬 并梗制造 测试轮鼓 一 嚣h g 救r i l 有限元专用分 ? + 一0 + 一析程序 进行轮毂 l l 实际测试 通 耒 上 过 通 过 仑 否 一。、 j弯曲疲劳破坏 甙 预测 b 耒 通 过 冲击破坏预测 图1 2 2 专用有限元分析程序加入研发后之流程图 1 2 2 课题的主要研究内容 本课题以汽车铝合金轮毂为研究对象，针对铝合金轮毂的弯曲力矩疲劳试验和 1 3 度冲击破坏试验，以大型通用有限元分析软件a n s y s 、三维建模软件u g 和 m a t l a b 软件为开发工具，集成有限元数值模拟参数化分析方法、m a t l a b 图形用 户界面g u i d e 模块编写出轮毂弯曲疲劳试验专用有限元分析程序和1 3 度冲击破坏试 验专用有限元分析程序。论文主要包括以下几个方面的内容： 5 l 绪论 硕士论文 ( 1 ) 综述了汽车轮毂的特点，国内外针对轮毂试验仿真方面的研究现状，课题 的来源、对轮毂开发产生的实际意义。介绍了轮毂的弯曲力矩疲劳试验和1 3 度冲击 破坏试验的试验规范及标准。 ( 2 ) 介绍了有限元基本理论和基本的分析过程。对程序开发使用的软件工具： a n s y s 、a p d l 语言、m a t l a b 的g u i d e 用户界面开发模块作了简述。 ( 3 ) 在汽车轮毂弯曲疲劳试验基本规范和有限元理论的基础上，运用a n s y s 参数化设计语言a p d l ，以模型号轮毂为例详细介绍了轮毂弯曲试验参数化有限元分 析的全过程，包括对轮毂参数化建模、参数化施加载荷、求解，以及参数化后处理结 果显示的命令流操作进行了详解。运用m a t l a b 软件的图形用户界面开发模块 ( g u i d e ) 集成a p d l 语言完成专用分析程序的界面和m 文件代码编程，使程序能 随轮毂试验参数的变化正确生成对应的a n s y s 输入文件( 命令流文本) 。以某轮毂 为例对软件的具体使用情况进行了阐述。 ( 4 ) 以和汽车轮毂弯曲疲劳试验专用分析程序相同的开发方法编写了轮毂1 3 度冲击试验分析程序。 ( 5 ) 阐述了轮毂疲劳破坏预测的基本理论和方法。应用汽车轮毂弯曲疲劳试验 专用分析程序对一款轮毂进行了分析，在研究了疲劳失效理论的基础上预测这款轮毂 在试验后是否破坏；进行了实际的轮毂弯曲疲劳试验以对预测结果进行验证。 ( 6 ) 应用汽车轮毂冲击试验专用分析程序对一款轮毂进行了分析，用企业标准 预测这款轮毂试验后是否破坏；进行了实际的轮毂冲击试验对预测结果进行验证。 6 预论z基于a n s y s 的汽车轮毂性能试验专用分析程序开发 2 轮毂性能试验介绍 2 1 轮毂弯曲疲劳试验概述 2 1 1 弯0 疲劳试验方法 弯曲力矩疲劳破坏试验设备如图2ll 所示。将受测轮毅置于测试机台上，以专 用螺丝及规定锁附扭力将轮毂锁附于测试轴上，并以专用夹具将轮毂的下j 部加以固 定。夹其固定前需以水平仪检验受测轮毂及夹具是否达已水平状态，以减少在测试过 程中因机台晃动造成澍试的不准确及测试机台的损坏。在受测轮毂的锁紧过程中，需 注意先锁紧相对的螺丝，以避免受测轮毂的受力不平均 国2 1 1 弯曲力矩疲劳破坏试验设备 测试进行前于旋转鞋底端施加适当的硅码并调整砝码与旋转轴的距离。砝码重量 及距离魄决定是依据帮毽时旋转轴的旋转是否能达到规定的弯曲力矩测试负载而定。 测试机台启动后，由手掰式轴上硅码的旋转会对于受测轮毂施以一弯曲力矩的负载， 旦随j 葺琏转轴转速增秀融力矩负载也随之加大，当达到规定的受测负载时即开始计 算旋转轴的转数，待旋转轴达到规定转数后即停止测试。将测试完成后的轮毂取下， 以染色渗透探伤观察其被坏状况。 2 1 2 试验弯矩负载确定标准 贸联铝台金科技公司的产品主要出口到北美市场，轮毂生产的所有相关标准均以 s a e ( 美国汽车工程师协会) 的标准为准。轮毂弯曲疲劳试验的示意图如图212 所 圈田 2 轮毂性能试验介绍硕士论文 示，其中弯曲力矩负载按照s a ej 2 5 3 0 标准计算1 1 3 1 ，公式如下： 仁( ，口r + d ) f s ( 2 1 ) 式中膨式验弯矩( n m ) ，是强化了的实车中承受的弯矩。 轮胎和道路之间的摩擦系数，设定为0 7 。 卜静负载半径，厂商规定的该车轮配用的最大轮胎的静负荷半径( m ) 。 卜车轮的偏距绝对值( m ) 。 卜车轮最大额定载荷( n ) ，由轮毂厂或汽车整车厂规定。 卜强化试验系数，确定方式见表2 1 。 图2 1 2 轮毂旋转弯曲试验负载示意图 表2 1 轮毂旋转弯曲疲劳试验强化系数 面 轮毂轮辋名义直径循环次数 试验强化系数 英寸( i n )毫米c r a m ) ( 万转) 1 33 3 0 2 _ ” 1 4 3 5 5 6 1 53 8 1 0 1 6 01 0 1 64 0 6 4 1 7 4 3 1 8 1 6 54 1 9 1 1 6 ( 选用)4 0 6 4 1 3 5 2 5 1 7 ( 选用)4 3 1 8 3 硕士论文 基于a n s y s 的汽车轮毂性能试验专用分析程序开发 溺 一 2 轮毂性能试验舟绍硕士论文 第二种破坏模式的裂痕产生在轮毂的肋骨背面逃料两侧的位置。此种破坏模式 中，破坏状况较轻微的如图216 中的受测轮毂，受测后的裂痕皆产生在轮毂的肋骨 背面逃料的位置，而中央盘面的部位则没有裂痕产生。当这种情况发生时，如果不是 因为铸造变异所产生的破坏，就表示破坏部位的结构较弱，需要将该部位的逃料改小， 加强其强度。另外，此种破坏状况较严重的有可能造成肋骨断裂的情形发生，如图 217 中的受测轮毂就是实例。 图21 6 裂痕在肋骨背面逃料处 图217 第二种破坏的严重状况一肋骨断裂 图2l8 为第三种破坏模式。因为该型式轮毂是属于多孔式的设计，因此受测后 的裂痕产生在轮毂的螺栓孔之间，而轮毂其余的部位则没有产生裂痕的现象。这种现 象通常表示轮毂整体的结构安全无虞，只要在铸造过程中加强中央部位的冷却效果， 以加强中央部位的组织即可。 图218 第三种破坏状况，裂痕发生在螺栓孔之间 以上的三种破坏状况是铝合金轮毂进行弯曲疲劳测试时最常发生的现象。然而， 随着铝合金轮毂的造型愈来愈多样化，偶尔会有一些在上述三种状况外的破坏状态产 生，如图2i9 中的受测轮毂，因为轮边的造型长而薄，因此破坏在轮边靠近窗i s i 的 部位。 论女基于a n s y s 汽车轮毂性能试验 用分析程序* 发 2 2 轮毂冲击试验概述 图2 19 弯曲疲劳破坏在轮边 2 2 1 轮毂冲击试验方法 汽车用铝合会轮毂的冲击破坏测试依其冲击角度的不同主要可分为三种，分别是 】3 度、3 0 度及9 0 度等。其中，1 3 度及3 0 度冲击试验是模拟轮毂受到外力例向撞击 时所产生的变化，9 0 度冲击试验是模拟轮毂撞击到道路上的窟窿或突起物时产生的 反作用力对轮毂所造成的变化。本论文针对13 度冲击试验进行研究，圈221 为1 3 度式轮毂冲击试验机图。 固2 211 3 度式轮教冲击试验机 2 轮毂性能试验介绍 硕士论文 轮毂在装上规定的试验轮胎并打入规定的测试胎压后安装于测试基座上，与地面 成1 3 度的倾斜角度，测试重锤位于轮毂的上方。测试前以量规确认测试重锤的落下 高度及冲击位置。 测试进行时使重锤以自由落体的方式落下撞击轮毂，测试完成后重锤压在轮毂 上。当测试完成后将轮毂取下，观察其破坏状况。 2 2 2 轮毂冲击负载确定标准 与轮毂弯曲试验标准相同，轮毂生产的所有相关标准均以s a e ( 美国汽车工程 师协会) 的标准为准。轮毂冲击试验按照s a ej 2 5 3 0 标准【1 3 】，其1 3 度冲击试验标准 示意图如图2 2 2 所示。在s a ej 2 5 3 0 标准中，冲头下落的高度应在轮毂轮缘的最高 点上方2 3 0 2 m m 。冲头置于轮胎上方，其带有圆角的冲击面刃缘应与轮毂轮缘重叠 2 5 1 m m 。 1 2 蚓 图2 2 21 3 度式轮毂冲击试验机的s a e 标准示意图 1 3 1 硕士论立 基于a n s y s 的汽车轮觳性能试验专用分析程序开发 其中冲头质量d 按照标准计算，计算公式如下： d = n 6 w + 1 8 0( 22 ) 式( 22 ) 中： d 冲击重锤的质量2 ( k 2 ) 。 肛一车轮最大额定载荷，由车轮厂或汽车制造厂规定( n ) 。 2 2 3 轮毅冲击试验失效判定方法 ( 1 ) 试验后轮毂的任何部位有可见疲劳裂纹( 用各种可接受的探伤方法，如着 色渗透法) 。 ( 2 ) 轮毂中部与轮缘分离。 ( 3 ) 轮胎气压在一分钟内完全丧失。 常见的轮毂冲击破坏状况依据其发生的位置通常有3 种。图2 23 为第一种破坏 模式。当重锤冲击轮毂的肋骨后裂痕发生在轮毂靠近中央的部位。当这种情况发生时， 通常表示破坏部位的结构太弱有待加强，或者是轮毂j 部及肋骨尾端强度过强，在冲 击过程中无法吸收部分冲击能量，以至于破坏部位受到类似弯曲力矩的作用而造成。 图2 23 第一种破坏模式，裂痕发生在轮毂靠近中央的部位 固2 24 为第二种破坏模式。其裂痕发生在肋骨尾端连接j 部的部位。当这种情 况发生时，通常表示在冲击过程中该部位受到类似剪力的作用，加上破坏部位的结构 太弱而造成如图2 24 种的破坏状况，此种破坏情况告诉我们肋骨尾端的结构有待加 强。 2 轮毂性能试验介绍 硕士论文 图2 24 第二种破坏模式，裂痕发生在肋骨尾端连接j 部的部位 图2 25 为第三种破坏模式。其破坏发生在被冲击肋两侧的肋骨上。被冲击肋为 图示最上面的肋骨，反而没有发生破坏。当这种情况发生时，通常是因为受冲击肋的 结构过强，致使冲击过程中受冲击肋无法吸收冲击能量，进而转移到两侧的肋骨使其 受到类似扭转力的作用而破坏。 图2 25 第三种破坏模式，破坏发生在被冲击肋两侧的肋骨上 然而，在真实的轮毂冲击测试时，经常有不止一种的破坏模式伴随着出现，如图 2 26 、图2 27 即为同时出现两种及三种破坏模式的实际案例。如图2 26 中的轮毂， 当它受冲击后同时出现了弯曲力矩及扭转力造成的破坏状况。而图2 , 27 中的轮毂则 同时出现了上述三种的破坏状况，表示其结构必须全盘加以检讨修改才能再进行下一 次的试作。 硕士论文基于a n s y s 的汽车轮毂性能试验专用分析程序开发 2 3 本章小结 图2 26 弯曲力矩及扭转力同时作用造成的破坏状况 图227 弯曲力，扭转力和剪切力同时造成的破坏状况 本章主要是为了给后面的轮毂有限元分析方法和专用程序开发方法奠定试验基 础，首先，本章介绍了轮毂弯曲疲劳试验的试验方法、规范和载荷确定标准，具体介 绍了弯曲试验后轮毂失效的判定方法和基本的几种失效模式。然后本章介绍了轮毂 1 3 度冲击试验的试验方法、规范和载荷确定标准，具体介绍了1 3 度冲击试验后轮毂 失效的判定方法和典型的几种失效模式。 3 轮毂有限元分析专用软件开发的基本理论和相关工具 硕士论文 3 轮毂有限元分析专用软件开发的基本理论和相关工具 对轮毂性能试验有限元分析进行参数化分析编程的目的是得到能够适应不同轮 毂试验分析要求的专用分析程序。此用户专用分析程序的功能是自动生成可以对任意 轮毂进行自动有限元分析的命令流文本文件。因此有必要对关键的有限元基本理论和 命令流编写语言a p d l 语言进行阐述。轮毂性能试验分为弯曲疲劳试验和冲击试验， 本文分别对这两个试验编写专用有限元分析软件。根据不同轮毂的不同试验条件，通 过在专用分析程序界面中输入相应数据，即可生成命令流文件。编程工具均采用 m a t l a b 软件的g u i 编程模块g u i d e 编写f i g 文件和m 文件。本章对此模块进行 了介绍。 3 1 有限元法理论概述 “有限单元法”自2 0 世纪6 0 年代由c l o u g h 第一次提出以来，经过近5 0 年的发 展，它如今已经成为工程分析中应用最广泛的数值计算方法。由于它的通用性和有效 性，受到工程技术界的高度重视，伴随着计算机科学技术的飞速发展，有限单元法现 已成为计算机辅助设计和计算机辅助制造的重要组成部分。 在工程或物理问题的数学模型( 基本变量、基本方程、求解域、和边界条件等) 确定以后，有限元法作为对其进行分析的数值计算方法的基本思想可简单的概括为如 下3 点。 ( 1 ) 将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域( 单元) ，并通过他 们边界上的节点相互联结为一个组合体。 ( 2 ) 用每个单元内所假设的近似函数来分片表示全求解域内待求解的未知变量， 而每个单元内的近似函数由未知场函数( 或其导数) 在单元各个节点上的数值和与其 对应的插值函数来表示。由于在联结相邻单元的节点上，场函数具有相同的数值，因 此将它们作为数值求解的基本未知量。因此，求解原待求场函数的无穷多自由度问题 转换为求解场函数节点值的有限自由度问题。 3 1 1 有限元法的特点 有限元之所以有如此广泛的用途，是因为它有其自身的特点，概括如下。 ( 1 ) 对于复杂几何构形的适应性。由于单元在空间上可以是一维、二维、三维 的，而且每一种单元可以有不同的形状，同时各种单元可以有不同的连接方式，所以， 工程实际遇到的非常复杂的结构和构造都可以离散为由单元几何体表示的有限元模 型。 ( 2 ) 对于各种物理问题的适应性。由于用单元内近似函数分片表示全求解域的 1 6 硕士论文 基于a n s y s 的汽车轮毂性能试验专用分析程序开发 未知场函数，并未限制场函数所满足的方程形式，也未限制各个单元所对应的方程必 须有相同的形式，因此它适用于各种物理问题。 ( 3 ) 建立于严格理论基础上的可靠性。因为用于建立有限元方程的变分原理或 加权余量法在数学上已证明是微分方程和边界条件的等效积分形式，所以只要原问题 的数学模型是正确的，同时用来求解有限元方程的数值算法是稳定可靠的，则随着单 元数目的增加( 即单元尺寸的缩小) 或是随着单元自由度数的增加( 即插值函数阶次 的提高) ，有限元解的近似程度不断地被改进。如果单元是满足收敛准则的，则近似 j 解最后收敛于原数学模型的精确解。 ( 4 ) 适合计算机实现的高效性。由于有限元分析的各个步骤可以表达成规范化 的矩阵形式，所以求解方程可以统一为标准的矩阵代数问题，特别适合计算机的编程 和执行。随着计算机硬件技术的高速发展，以及新的数值算法的不断出现，大型复杂 问题的有限元分析已成为工程技术领域的常规工作。 3 1 2 有限元法的分析过程 由于本论文主要是结构分析，所以这里主要介绍有限元分析过程中针对结构分析 的主要步骤，大概分为7 步，概括如下。 ( 1 ) 结构的离散化。按照问题的几何特征和精度要求等因素将结构物分割成有 限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续 性，形成有限元网格，即将原来的连续体离散为在节点处相互连接的有限单元组合体， 用它来代替原来的结构。 ( 2 ) 选择位移模式。假定位移是坐标的某种简单函数( 位移模式或插值函数) ， 通常采用多项式作为位移模式。在选择位移模式时，应该注意以下几点： 多项式项数应等于单元自由度数。 多项式阶次应包含常数项和线性项。 单元自由度应等于单元节点独立位移的个数。 位移矩阵为： = 广 ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中侈 。为单元的节点位移，i l 为形函数矩阵。 ( 3 ) 分析单元的力学性能。用节点位移表示的单元应变为： 诂 = 陋】p ) 。 、 ( 3 2 ) 式( 3 2 ) 中，扫) 为单元应变，p y 是单元的节点位移，陋】为几何矩阵或应变 矩阵，反映了节点位移与应变之间的转换关系。 由本构方程导出用节点位移表示的单元应力可表示为： p ) = p 】p ) = pi 召】p ) 。 ( 3 3 ) 1 7 3 轮毂有限元分析专用软件开发的基本理论和相关工具 硕士论文 i d j 为与单元材料有关的弹性矩阵。 由变分原理，建立单元上节点力与节点位移的关系式，即平衡方程为： 扩) 。= k 鼢 ( 3 4 ) 其中，肛】为单元刚度矩阵，其形式为： k 】。= f f 脚【d i b d x d y d z ( 3 5 ) l d i 为与单元材料有关的弹性矩阵。 ( 4 ) 集合所有单元的平衡方程。建立整个结构的平衡方程，即组集总刚，总刚 矩阵为i 七l 。 k 】= 区】。 ( 3 6 ) 由总刚形成的整个结构的平衡方程为： 扩) = 阵】p ) ( 3 7 ) 上述方程在引入几何边界条件时，将进行适当修改。 ( 5 ) 求解未知节点位移和计算单元应力。对平衡方程求解，解出未知的节点位 移，然后根据前面给出的关系计算节点的应变和应力以及单元的应力和应变。 ( 6 ) 整理并输出单元应变和应力。 ( 7 ) 结合计算结果进行一系列处理，得到问题的最终分析结果。 3 2 开发工具概述 3 2 1a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是一个功能强大而灵活的大型通用有限元软件。能够进行包括结构 力学、热力学、流体力学、声学、电磁学等多学科的研究，广泛应应用于核工业、铁 道、航空航天、石油化工、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、 造船、生物医学、轻工、地矿、水利、家用电器等工业和科学研究领域，是世界上拥 有用户最多、最成功的有限元软件之一。 a n s y s 软件提供的分析类型主要有以下几种。 ( 1 ) 结构静力学分析( s t r u c t u r a l ) 。用于分析结构由静载荷引起的变形、应力和应 变。静力学分析适合求解惯性和阻尼对结构影响不显著的问题。a n s y s 的静力学分 析不仅可以进行线性分析，还支持非线性分析，例如塑性变形、蠕变、大变形、大应 变及接触问题的分析。 ( 2 ) 结构动力学分析。用于分析随时间变化的载荷对结构的影响，主要包括瞬 态分析、模态分析、谐响应分析以及随机振动响应分析。 ( 3 ) 结构屈曲分析。用于分析结构失稳的临界载荷大小，以及在特定载荷下结 构是否失稳。 1 8 硕士论文基于a n s y s 的汽车轮毂性能试验专用分析程序开发 ( 4 ) 热力学分析。可以模拟热传导、对流和辐射，可以进行稳态和瞬态热分析、 线性和非线性分析，可以模拟材料的凝固和溶解过程，可以进行热应力计算。 ( 5 ) 电磁场分析。可以进行一维、二维电磁场的分析，一维、二维随时间变化 的低频电磁场的分析。电磁场分析可以解决电磁场的相关问题，如电容、电感、涡流、 电磁场分布、运动效应等。 ( 6 ) 流体力学分析。可用来解决二维、三维流体动力场问题，可以进行传热或 绝热、层流或湍流、压缩或不可压缩等问题的研究。 ( 7 ) 声场分析。主要用于研究流体介质中声音的传播问题，以及流体介质中固 一体结构的动态响应问题。 3 2 2a p d l 语言概述 a p d l 是a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e 的缩写，即a n s y s 参数化设计语 言，它是类似f o r t r a n 的一种解释性语言，主要包括以下内容： ( 1 ) 参数 ( 2 ) 表达式与函数 ( 3 ) 分支和循环 ( 4 ) 重复功能和复写功能 ( 5 ) 宏文件 ( 6 ) 用户子程序 利用a n s y s 的程序语言与宏技术组织管理a n s y s 的有限元分析命令，就可以 实现参数化建模、施加参数化载荷与求解，以及参数化后处理结构显示，从而实现参 数化有限元分析的全过程。应用a p d l 编写的脚本程序具有一般程序的功能，可以自 动完成大部分在a n s y s 图形用户界面( g u i ) 中的操作任务，甚至还可以完成某些 g u i 无法实现的功能，如参数化建模和求解控制等。同时，以a p d l 为基础用户可 以开发专用有限元分析程序，或者编写经常重复使用的功能小程序，如特殊加载宏， 这必将极大地提高分析效率，减少分析成本。 a p d l 还是a n s y s 优化设计的基础，只有创建了参数化分析流程，才能对其中 的设计参数执行优化改进，从而达到优化设计目标和节约成本的目的。 a p d l 允许用户通过指定或程序计算给变量或参数赋值，且在a n s y s 运行时的 任意时刻均可以定义自己的参数，也可以将参数保存在一个文件中，供以后的a n s y s 运行过程或其他运行和报告使用。参数特性提供了对程序进行控制和简化数据输入的 有效方法。 3 2 3m a t l a b 7 0 软件简介 编程工具采用m a t l a b 软件7 0 版本。软件名称m a t l a b 从由m a t r r i x 和 1 9 3 轮毂有限元分析专用软件开发的基本理论和相关工具 硕士论文 l a b o r a t o r y 两个英文单词的前3 个字母组合而成的。最初版本的m a t l a b 出现在 2 0 世纪7 0 年代，用f o r t r a n 语言编写，主要功能是实现程序的接口功能。在2 0 世纪9 0 年代，m a t l a b 发展成为国际公认的标准计算软件，在数值计算方面功能十 分强大，从这个时候起，m a t l a b 的内核采用c 语言编写，增加了数据视图功能。 在m a t l a b 推向市场之后，由于软件良好的开放性和运行的可靠性，淘汰了该行业 其他各种软件，许多工作开始在m a t l a b 平台上重建。 m a t l a b 从第一个版本到目前发布的第1 4 个版本m a t l a b 7 0 ( r e l e a s e l 4 ) ， 软件本身有了很大的改善，增加了很多新功能和有效的操作方法。下面简要对这些内 容进行介绍。 ( 1 ) 开发环境：在m a t l a b 7 0 中，用户可以同时使用多个文件和图形窗口， 用户可以根据自己的习