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基于ANSYS的巴哈赛车轮毂法兰的优化设计

作者:管件 来源: 日期:2019/10/22 15:55:56 人气:3

在巴哈赛车轮毂法兰设计中,法兰应满足比赛的强度要求,具有较高的工作可靠性。该文应用UG软件建立轮毂的三维模型,研究轮毂在紧急制动、急转向、越过不平路面3种特殊工况下的受力情况,利用ANSYS软件对轮毂进行有限元分析。根据3种工况下的分析结果对轮毂进行结构优化,使优化后的轮毂重量轻、结构简单,满足赛场苛刻的赛道要求。

中国汽车工程学会巴哈大赛(Baja SAE China)是由中国汽车工程学会主办,在各院校间开展的小型越野赛车设计和制作的竞赛。前轮毂法兰在巴哈赛车上用于安装制动盘和轮辋并为其提供支撑作用,承受着径向载荷与轴向载荷的同时,在制动时还要承受扭转载荷,是一个非常重要的安全件。轮毂法兰同时还属于非簧载质量,对于赛车来讲轻量化尤为重要;同时巴哈赛车的路况非常复杂,常伴随着飞坡、撞击圆木、快速通过炮弹坑等恶劣路况,因此更需要保证巴哈赛车的前轮毂法兰强度。

该文在对轮毂法兰的设计和三维建模的基础上,选取3种极限路况下的受力情况,利用ANSYS软件对其进行静力学仿真分析,得到轮毂法兰的最大应力分布情况,并对其进行形状优化,由此来减轻轮毂法兰的质量,最后再利用应力应变的仿真分析,校验优化设计。

1轮毂法兰的设计

轮毂设计是在对称安装的圆锥滚子轴承的基础上,在两端进行制动盘安装法兰与轮辋安装法兰的设计,轮辋安装法兰由于安装的是轮辋,所以需要传递轮胎所受的径向载荷与轴向载荷。因此,在轮芯与法兰的过渡处进行了大角度倒角设计以增加其强度,如图1所示。

2轮毂法兰的受力分析

ANSYS分析以静力分析为主,主要用于校核零件的刚强度,分析时输入的是3种极限工况下的受力,包括急转向工况、制动紧急制动以及越过不平路面工况,在3种工况下分别求得该工况下的最大受力。

2.1急转向工况

在急转向工况下,以安装在转向节上的轴承作为约束点,求出地面与轮胎接触点的受力,通过力的平移法求得轮辋给轮毂的受力,由此来设定轮毂的边界条件。

2.2越过不平路面工况

在越过不平路面工况下,以炮弹坑为例,轮毂的受力主要有来自于路面给轮胎的Z方向的载荷以及越过不平路面的X方向的受力。

2.3紧急制动工况

在紧急制动工况下,轮毂的受力主要由2个部分组成,一部分由地面传给轮胎的制动力矩M与制动盘传给制动销钉的支座反力矩组成;另一部分由紧急制动下轴荷转移产生的FZ与转向节轴的支座反力组成。以某校的巴哈车的轮胎和轮毂参数为例,可得轮胎半径为R=292.1 mm,轮辋安装孔半径为r=55 mm。并将参数带入上述3种极限路况下的轮毂载荷计算公式进行计算。

3轮毂法兰的有限元分析

根据轻量化的设计需求,该轮毂法兰材料选自7075-T6高强铝合金材料,首先在ANSYS中定义材料属性为弹性模量E71 GPa,泊松比为0.330,密度2.81 kg/m3;其次对三维实体模型进行有限元网格划分,选择四面体网格尺寸控制,全部尺寸细化为1.5 mm大小,由此得到664 751个网格节点,466 834个单元,再次在轴承位的轴向表面施加销钉约束,在轴承位的轴向内表面施加无摩擦约束,制动盘安装位处施加固定约束,对其进行3个极限工况下的载荷施加;最后求解出3种极限工况下法兰轮毂的应力图。

根据轻量化的设计需求,对三维实体模型进行有限元网格划分,对其进行3个极限工况下的载荷施加;最后求解出3种极限工况下法兰轮毂的应力图。总结上述最大应力都远小于许用应力392.5 MPa,有优化的空间。

3.1拓扑优化

拓扑优化分为3个部分:1)定义材料属性、划分网格;2)定义边界条件、施加载荷以及定义优化目标;3)进行拓扑优化。

在拓扑优化模块中首先进行网格划分与定义材料属

性,把轴承安装位设置为固定约束,由于巴哈赛车运行工况恶劣,有可能在某一时刻会发生3种极限同时出现的情况,因此将3种工况下的受力合并后统一乘以1.5倍的安全系数施加在轮毂上,以保证在各种工况下轮毂都能满足其使用要求。最后将显示选项设置为非平均值,优化目标为减重50%,运行ANSYS软件得到轮毂拓扑优化结果。

3种极限工况下50%拓扑减重图中可以看出,原设计下的轮毂在3种极限工况下的拓扑优化结果各不相同,在综合考虑3种极限工况下的应力图以及3种极限工况下的50%拓扑减重图后发现,其需要减重的主要部位在于安装轮辋以及制动盘安装的法兰支撑臂中,因此,在安装轮辋的法兰支撑臂以及安装制动盘的法兰支撑臂处,采用数铣加工工艺进行轻量化处理以降低质量。

3.2轮毂结构设计校核

为使最终优化完成的轮毂能满足其刚度、强度要求,再次将最终设计的轮毂导入ANSYS Workbench中进行静力学仿真,并利用3种工况下的载荷进行强度校核。轮毂受力在乘以安全系数后仿真出的最大应力均低于材料屈服强度320 MPa,应变也没有变大。

4结语

该文分析得出轮毂法兰的最大应力制动盘安装位处,且均小于材料的许用应力,因此认为该轮毂满足静力强度的要求,其安装轮辋以及制动盘安装的法兰支撑臂中存在较大的冗余量。而后结合拓扑优化模块对轮毂进行了轻量化设计。最后对设计的轮毂进行了结构静力学分析的效验,结果显示该轮毂满足其设计的强度、轻量化及其使用要求。