ANSYSWorkbench在铝合金轮毂结构静力学分析中的应用李维俊+邹武锦摘要：轮毂作为车辆行驶系统中的重要部件，其结构性能对车辆的安全性有较大影响。以16×6?J铝合金轮毂作为研究对象，运用UG三维建模软件建立轮毂三维模型，并导入ANSYSWorkbench，依据径向与弯曲疲劳试验标准建立有限元模型，对轮毂进行结构静力学分析，得到位移、应力云图，并基于铝合金A356的S-N曲线，生成轮毂安全系数与疲劳寿命云图，综合各项结果，从而判断轮毂强度、刚度及疲劳强度是否合格，可作为轮毂分析的评判标准，对设计有指导作用。关键词：铝合金轮毂；ANSYSWorkbench；疲劳寿命DOI：10.16640/jki.37-1222/t.2017.19.0051引言铝合金轮毂因其质轻、美观、耐腐蚀、安全性好，在小型乘用车中已大量使用，据统计，2014年全球铝合金轮毂的产量已达到2.81亿只。对于如何分享如此巨大的市场，各轮毂生产企业的首要问题就是高效、精准、低成本地设计出符合顾客需求的轮毂。一方面，因为轮毂是汽车行驶时各种载荷的主要受力部件，其结构设计必须满足标准要求，以确保其安全性和可靠性；另一方面，随着消费者对汽车外观要求的提高和汽车轻量化发展的大趋势，外观设计与轻量化设计也被考虑到结构设计当中[1，2]。传统的方法依靠实验获得轮毂的强度和疲劳寿命数据，验证设计是否合理，时间长、成本高，而采用有限元分析软件ANSYSWorkbench预先进行设计及分析，能够较快的判断设计产品的合理性，并且结果相对可靠，从而降低的设计成本，缩短了开发周期。本课题运用UG软件完成轮毂建模后，利用ANSYSWorkbench与CAD建模软件的无缝集成，直接导入ANSYSWorkbench中，进行径向、弯曲疲劳试验的有限元分析，得到轮毂的应力应变分布，并基于铝合金A356的S-N曲线，进行轮毂的疲劳寿命分析。2轮毂径向疲劳试验有限元分析轮毂的径向疲劳强度是其力学性能的一项重要指标，是衡量车轮行驶时能否安全承受垂直载荷的标准，按照GB/T5334-2005《乘用车车轮性能要求和实验方法》中动态径向疲劳试验的要求进行测试。试验方法是让一直径大于400mm、表面光滑且宽度大于轮胎宽度的驱动转鼓，匀速转动，带动安装好轮胎的轮毂，从而向轮毂施加动态变化的径向载荷Fr，模拟汽车在平直路面行驶时轮毂受到的垂直载荷。标准要求车轮在试验载荷下经过一定次数的疲劳循环后，不得出现可见裂纹和明显塑性变形等破坏现象，且能继续承受载荷[3，4]。有限元法的基本思想是将物体离散成有限个且按一定方式相互连接在一起的单元的组合，来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题来求解的一种数值分析方法[5]。因此，建立准确、可靠的轮毂径向疲劳试验的有限元模型，是分析的关键步骤。2.1实体建模与材料属性导入用于分析的轮毂规格为16×6?J，按照设计草图与轮毂的规格参数，采用三维实体建模软件UG建立轮毂实体模型，之后导入ANSYSWorkbench環境中，等待进一步处理。铝合金A356铸造性能良好，拥有较高的强度与塑性，所以生产中铸造铝合金轮毂多采用该型号的铝合金。对此，分析中轮毂材料选择A356，国内牌号为ZL101，屈服强度为229MPa，抗拉强度极限为263MPa，弹性模量为70GPa，泊松比为0.33。此外，进行疲劳寿命分析，还需导入材料的S-N曲线。先通过软件SolidWorks的材料库模块进行模拟，基于AMSE奥氏体钢曲线，输入A356的弹性模量，派生出S-N曲线数据，导入ANSYSWorkbench的材料库，生成S-N曲线，如图1所示。2.2网格划分有限元分析中，网格划分是后续分析的基础，其精度的高低直接影响到后续的应力、应变、疲劳寿命分析的准确性和精确性。对于形状相对复杂的轮毂，采用自动划分网格命令获得的网格质量较好，满足精度要求。划分网格时，单元大小设置为10mm，获得145257个单元，80706个节点。网格划分结果如图2所示。2.3施加约束与载荷有限元模型的约束与载荷的施加应与实际情况一致，这样才能保证计算结果接近或者能够代表实际试验的结果[6，7]。所以，根据径向疲劳试验的工作原理和有限元思想，对轮毂安装面和5个螺栓孔锥面施加全约束。实际作用在车轮上的载荷主要有轮胎气压和汽车自重与地面支撑在竖直方向...