基于ANSYS的某铝合金轮毂模态与疲劳分析.pdf
《基于ANSYS的某铝合金轮毂模态与疲劳分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于ANSYS的某铝合金轮毂模态与疲劳分析.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、韶关学院学报自然科学Journal of Shaoguan UniversityNatural Science2023 年 9 月第 44 卷第 9 期Sep.2023Vol.44No.9基于 ANSYS 的某铝合金轮毂模态与疲劳分析尹宗军,苏蓉,洪雨,张振东,黄自成(安徽信息工程学院 机械工程学院,安徽 芜湖 241100)摘要:轮毂作为影响汽车驱动的重要簧下构件,在行驶过程中直接承受交变载荷,因此轮毂的轻量化和可靠性具有重要的研究意义.以某铝合金轮毂为研究对象,运用 CATIA 软件对其进行三维实体建模;然后将模型导入ANSYS 软件中进行前处理;再通过设置不同工程环境下的边界条件以及相应
2、的载荷条件,对轮毂进行模态分析与弯曲疲劳试验,得到了轮毂的模态云图、应力-应变云图以及寿命云图.结果表明轮辋及轮辐是弯曲疲劳过程中最容易发生破坏的部位,两者的连接部位也易发生破坏,结构优化时应着重考虑其可靠性.关键词:铝合金轮毂;模态分析;弯曲疲劳;径向疲劳;ANSYS 有限元分析软件中图分类号:U463.343;U467.3;O242.21文献标识码:A 文章编号:1007-5348(2023)09-0063-07汽车行驶过程中,轮毂不仅要能高速旋转还应该具备良好的载重性,直接影响了车辆的安全可靠性和舒适稳定性1-3.若轮毂强度不足,在行驶中受到较大载荷冲击就会发生严重损坏,这会给乘员带来安
3、全危机;同样,若轮毂质量过重,则不利于汽车的节能减排和行驶舒适性.同时,轮毂长时间承受低于材料屈服极限的循环应力,容易发生疲劳破坏也会致使轮毂无法正常工作.随着汽车轻量化的推进,Al-Mg 合金、碳纤维复合材料等材料逐渐在汽车上得到了应用,特别是材料性能优秀、加工工艺性好的铝合金轮毂凭借其轻量化效果明显及减震性好,逐渐取代了可塑性差、质量大的钢制轮毂在产品应用上的主导地位4-5.因此铝合金轮毂的毂弯曲疲劳与模态分析对于增进铝合金轮毂的可靠性研究具有重要意义.在国内,针对铝合金轮毂轻量化设计已有许多成果6-13.特别地,何宇栋研究了 A356 铝合金轮毂的冲击性能,结果表明铸态试样的冲击性能明显
4、低于 T6 热处理试样14.郭佳欢研究了车轮弯曲疲劳和径向疲劳15.尹宁对某铝合金车轮进行了结构设计及优化,并对样件进行了台架试验16.李家应对铝合金轮毂进行静力的弯曲疲劳试验和径向疲劳进行了有限元分析,认为弯曲疲劳是造成疲劳破坏的主要原因17.沈元杰对轮毂轴承进行了疲劳寿命仿真分析,用多目标粒子群算法对轮毂轴承进行了结构优化设计18.李世德基于铝合金车轮径向冲击试验给出了建模所需参数和铝合金车轮的塑性应变曲线,结果显示车轮变形与实际台架试验基本吻合,车轮最大应力集中点在轮辋槽处19.结合铝合金轮毂疲劳寿命分析以及结构优化设计,利用 CATIA 三维实体建模和 ANSYS 有限元分析软件研究了
5、铝合金轮毂弯曲疲劳与模态分析,着重分析了轮毂的应力-应变云图以及寿命云图,为轮毂的有限元分析及优化设计提供了仿真应用依据.1理论基础1.1模态分析理论模态是指机械结构的固有振动特性,每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型,因此模态分析多见于机械结构研究中20-22.轮毂设计时,应保证轮毂的固有频率不与外部激励频率太接近,以避免共振的出现.一般结构设计时,固有频率要远离外部激励频率的 30%以上.结构运动的通用动力学方程为15:收稿日期 2023-02-23基金项目 安徽省教育厅高校自然科学研究重点项目“工程机械高磨损结构件硬面侧制备特殊功能性材料及高效堆焊技术研发”(2022AH051
6、891);安徽省教育厅高校自然科学研究重点项目“基于自由曲面造型原理的复杂型腔模具精密测量方法研究”(2022AH030160);安徽省质量工程项目“面向现代汽车产业的车辆专业项目化改革人才培养体系构建与研究”(2020jyxm0824)作者简介 尹宗军(1992-),男,安徽合肥人,安徽信息工程学院机械工程学院讲师,硕士;研究方向:计算流体力学,有限元分析.64韶关学院学报自然科学2023 年 M +C U+K U=F(t).(1)其中,M 为结构的质量矩阵,C 为结构的阻尼矩阵,K 为结构的刚度矩阵,U 为结构的质量矩阵,F(t)为外部激励.对于一般的结构系统的模态分析,只考虑实模态分析而
7、不考虑复模态分析,因此忽略阻尼项和外部激励.式(1)化简为无阻尼自由振动方程,即:M +K U=0.(2)其中,式(2)所对应的模态基本方程为:(K-2iM)i=0.(3)其中,i为第 i 阶振动频率,i为第 i 阶模态振型.很多情况下,结构在受限的边界并非自由边界,因此模态分析按有无位移边界条件可分为自由模态分析和约束模态分析,其中自由模态分析包括刚体和弹性模态(刚体模态发生时,固有频率接近 0)的分析,而约束模态分析只有弹性模态的分析.在处理约束模态时,需要在式(3)中添加与边界相关的应力刚度项 S,故有:(K+S-2iM)i=0.(4)1.2疲劳分析理论结构失效的一个常见原因是疲劳,其造
8、成破坏与重复加载有关.疲劳就是材料在循环交变应力和应变作用下“在一处或几处产生永久性累积损伤”经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的失效过程.疲劳包括高周疲劳(循环次数104周次)和低周疲劳(循环次数104周次),一般结构的疲劳问题均为高周疲劳问题.高周疲劳属于应力疲劳,交变应力明显小于结构件的许用应力.在实际工程应用中,结构件多数是在变幅载荷下工作,故结构件的损伤是不同频率和幅值的载荷所造成逐渐积累的结果.疲劳寿命的定义为发生疲劳破坏时的载荷循环次数.因此,疲劳累计损伤是有限寿命设计的核心问题.在疲劳分析时,有许多方法,主要包括适用于有弹性变形主导的高周疲劳的名义应力法、适用于塑形应变
9、变形的低周疲劳的局部应力法.这里仅涉及名义应力法.名义应力法也称为 S-N 方法,以材料或零部件的 S-N 曲线描述材料的疲劳特性,再按线性疲劳损伤累积理论进行基于 S-N 曲线的疲劳寿命计算.线性累计损伤理论(Miner 法则)认为损伤积累与循环次数成线性关系.Miner 法则认为应力时相互独立而互不影响的.假定结构件在应力 1作用下的疲劳寿命为 Nf1,该应力 1每循环一次,材料的疲劳寿命缩减 1/Nf1,损伤度D1=1/Nf1.若该应力循环 n1次,则损伤度为 D1=n1/Nf1.同理,在应力 2作用下循环 n2次,则损伤度为 D2=n2/Nf2.若变幅应力含有 m 级,则总损伤可计算为
10、17:D=mj=1njNfj.(5)其中,nj为应力 j的循环次数,Nfj为应力 j的疲劳寿命.当 D=1 时,材料发生疲劳损坏.2轮毂三维模型建立与计算依据宝马轮毂的造型设计,确定轮毂为 188J,如图 1(a)所示.通过 CATIA 软件对轮辋的横截面形状和尺寸进行三维建模,接着对辐条进行造型设计20.建模后的铝合金轮毂三维实体图如图 1(b)所示.同时,表 1 给出了该轮毂的基本物理参数.1.胎圈槽;2.轮缘;3.轮辋;4.轮辐;5.螺栓孔;6.底槽(a)轮毂实物图;(b)CATIA 三维实体模型图 1铝合金轮毂表 1材料参数序号参数名属性1材料名称铝合金2弹性模量/MPa7.11043
11、泊松比0.334密度/(kgm-3)2.71095许用应力/MPa24065第 9 期尹宗军,等:基于ANSYS 的某铝合金轮毂模态与疲劳分析将建模好的 CATIA 三维实体模型导入到 ANSYS 软件中,并完成表 1 中材料的属性赋予.最后,选择项目树中的 Mesh 进行网格划分,对轮毂采用非结构化网格,网格划分考虑满足轮毂细微结构,设置最大网格尺寸为 3 mm.3轮毂的有限元分析3.1模态分析考虑到轮毂受半轴位移约束,因此设定螺栓孔的圆柱面为固定约束,对轮毂进行 9 阶约束模态分析.为避免轮毂发生共振变形现象,设计轮毂分析产生的模态频率需要控制在合理的激励频率内.一般来说,在高速公路和城市
12、行驶良好的路面上激励频率多为 3 Hz 以下,而在行驶不稳定的路面上激励频率一般低于 11 Hz.图 2 中 9 阶模态频率都大于 20 Hz,且模型的形状随着时间而发生变化.此外,发动机振动频率为20:f0=r60n2.(6)其中,r 为发动机怠速稳定转速,rmin-1;n 为发动机缸数.正常情况下,一般四缸发动机冷启动时怠速稳定转速在 1 0001 200 rmin-1范围内,热车后的稳定转速在 700800 rmin-1范围内.由式(6)计算得发动机怠速振动频率为 23.340 Hz.此外四缸发动机的最高转速为 6 000 rmin-1,在最高转速下发动机怠速振动频率为 200 Hz,所
13、以轮毂的模态频率要在 200 Hz 以上.图 2 中,前 9 阶的模态频率都超过 600 Hz,模态频率最小值为 662.47 Hz,发生在第 1 阶;模态频率最大值为 993.13 Hz,发生在第 9 阶;最大变形量在第 8 阶,其值为 31.275 mm;最小变形量在第 6 阶,其值为 12.621 mm.由此可知该轮毂模态频率满足不与外界产生共振现象的条件,基本符合使用要求.然而模态分析后的轮毂产生的变形较大,且主要集中在轮毂外表面上.因此分析得出应该加强轮毂外表面的性能,进一步优化改进结构设计.B:ModalTotal DeformationType:Total Deformation
14、Frequency:662.47 HzUnit:mm2022/3/13 20:4626.495 Max23.55120.60717.66414.72011.7768.831 85.887 82.943 90 Min(a)B:ModalTotal Deformation 2Type:Total DeformationFrequency:662.47 HzUnit:mm2022/3/13 20:3226.495 Max23.55120.60717.66414.72011.7768.831 85.887 82.943 90 Min(b)B:ModalTotal Deformation 3Type:T
15、otal DeformationFrequency:662.57 HzUnit:mm2022/3/13 20:3326.481 Max23.53920.57917.65414.71211.7708.827 25.884 82.942 40 Min(c)B:ModalTotal Deformation 4Type:Total DeformationFrequency:692.19 HzUnit:mm2022/3/13 20:3328.030 Max24.91521.80118.68615.57212.4589.343 26.228 83.114 40 Min(d)B:ModalTotal Def
16、ormation 5Type:Total DeformationFrequency:692.7 HzUnit:mm2022/3/13 20:3928.106 Max24.98321.86018.73715.61412.4919.368 66.245 73.122 90 Min(e)B:ModalTotal Deformation 6Type:Total DeformationFrequency:938.29 HzUnit:mm2022/3/13 20:4012.621 Max11.2199.816 68.414 27.011 95.609 54.207 12.804 71.402 40 Min
17、(f)B:ModalTotal Deformation 7Type:Total DeformationFrequency:955.97 HzUnit:mm2022/3/13 20:4530.659 Max27.25223.84620.43917.03313.62610.2206.813 13.406 50 Min(g)B:ModalTotal Deformation 8Type:Total DeformationFrequency:968.8 HzUnit:mm2022/3/13 20:4531.275 Max27.80024.32520.85017.37513.90010.4256.9503
18、.4750 Min(h)B:ModalTotal Deformation 9Type:Total DeformationFrequency:993.13 HzUnit:mm2022/3/13 20:4320.027 Max17.80215.57713.35211.1268.901 16.675 84.450 52.225 30 Min(i)(a)1 阶;(b)2 阶;(c)3 阶;(d)4 阶;(e)5 阶;(f)6 阶;(g)7 阶;(h)8 阶;(i)9 阶图 29 阶模态分析66韶关学院学报自然科学2023 年3.2弯曲疲劳分析3.2.1弯曲疲劳载荷分析因为轮毂的模型复杂,受力情况特殊.
19、研究调查发现,行驶过程中轮毂需要承受来自外界或内部的多种作用力,而转弯时会产生弯曲力矩.轮毂发生破坏常常是因为弯曲疲劳带来的影响20.汽车铝合金轮毂需承受的最大载荷为:Fmax=Wni3+G6.(7)其中:W 为车重,N;ni为载荷的影响系数;G 为汽车满载负荷,N.取 5 个人加上货物的重量,即 G=(570+80)9.8=4 212 N.汽车载荷的影响系数 ni:ni=n1n2n3n4.(8)其中:n1为轮毂的质量系数,取值 1.1;n2为行驶时各工况的影响系数,取值 1.2;n3为车辆装载系数,取值 1.1;n4为其他的影响系数,取值 1.0.将各系数代入到式(8)中,获得载荷影响系数为
20、 ni=1.452.本文以宝马 5 系为研究对象,该汽车的质量约为 2 200 kg,即车的重量为 W=2 2009.8=21 560 N,因此该轮毂所承受的最大载荷为 Fmax=11 137.37 N.汽车轮毂所承受的弯曲载荷 M 的计算公式如下20:M=(R+d)FS.(9)其中:为汽车行驶时,地面与轮胎间的摩擦系数,取值 0.7;R 为轮毂静负荷半径,取值 0.334 4 m;d 为轮毂偏置距,取值 0.036 m;F 为轮毂所承受的最大额定载荷,取 F=Fmax;S 为安全系数,取值 1.6.将上述数值代入到式(9)中,求得 M=4 812.8 Nm.铝合金轮毂的弯曲疲劳试验通常都是采
21、用加载轴联接轮毂,在加载轴上施加载荷,加载轴的载荷力臂长度 L,取 L=0.9 m.故加载轴施上加的偏心力 Fa=M/L=5 347.5 N.3.2.2弯曲疲劳仿真分析一般轮毂与螺栓之间以及轮毂与加载轴之间的接触都为无摩擦接触,螺栓与轴之间采用固定约束.为了简化研究,排除掉螺栓连接的预紧力.根据轮毂实际状态是处于旋转,需要对其末端面上施加 Fa=5 347.5 N 以上的不断旋转的力.但为了方便 ANSYS 软件的计算,可以将轮毂原本施加动态载荷等效转变为静态载荷,即将载荷 Fa分解为 Y 和 Z 两个方向上的分力 FY、FZ,分 14 个载荷步来模拟轮毂循环一圈的状态过程,每隔 25.7计算
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 ANSYS 铝合金 轮毂 疲劳 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。