有限元方法在车轮中的应用

北京航空航天大学交通学院汽车工程系主任 刘献栋

在工程技术领域内 经常会遇到两类典型的问题。第一类问题是研究对象称为离散系统。离散系统是可解的 但是求解复杂的离散系统需要依靠计算机技术。第二类问题是研究对象称为连续系统。在求解过程中可以建立描述连续系统的基本方程和边界条件 通常只能得到少数问题的解析解。对于大量实际工程问题 需要近似算法求解。在寻找近似解法的过程中 工程师和数学家从两个不同的路线得到了相同的结果 即有限单元法。

有限单元法的形成可以追溯到20世纪50年代 它的形成直接得益于土木结构分析中的矩阵位移法和在飞机结构分析中所获得的成果。从20世纪60年代中期以来 人们对有限元理论方法及应用进行了大量的研究 不但拓展了有限单元法的应用领域 还开发了许多通用或专用的有限元分析软件。产品主要的研究领域有计算方法、高精度单元、多物理场耦合与复杂材料模型和多物理场耦合与复杂材料模型。

目前 汽车行业使用较多的通用有限元软件主要应用于结构分析、动力学分析、非线性分析和通用结构分析等。与车轮相关的部分专用有限元软件有 用于金属板料成形分析的Deform、Atuoform、DYNAFORM 用于焊接与热处理分析的SysWeld。

有限元技术在车轮设计中的应用广泛。其工作思路是

1、建立其三维数模 Solidworks或其他软件

2、划分有限元网格 离散化

3、施加材料属性、构建边界条件、载荷条件

4、进行仿真计算 获得应力分布

5、计算疲劳寿命 MAC—Fatigue FE—Fatigue软件 或人工挑选危险点进行计算

6、评价设计并为结构修改指明方向。

有限元技术在车轮工艺仿真中的应用主要体现在轮辐冲压工艺仿真、车轮辐翻边成形的工艺改进、轮辋辊压成形过程的有限元模拟和轮辐旋压。其中 在轮辐冲压工艺仿真方面 可对拉深、反拉深和成型工艺进行模拟。在成形过程采用显示算法 在回弹过程采用隐式算法。基于仿真结果 可分析沿不同路径板料在冲压过程中厚度的变化规律 还可分析易产生缺陷的位置 从而进行工艺改进。在车轮辐翻边成形的工艺改进方面 由原来的一次翻边工艺改为两次翻边工艺 降低孔缘部位的最大应变值。在轮辋辊压成形过程的有限元模拟方面 扩口需考虑回弹前、后的应力分布 一滚需考虑回弹前、后的应力分布回弹对结构应力分布的影响。在轮辐旋压方面 基于仿真结果 可以分析旋轮形状、进给速度、进给轨迹等对成形的影响。

总之 有限元方法是工程仿真的强大工具 并且有大量软件可供使用 但是软件对使用者来说是个黑匣子 使用者将面临许多选择和困惑要用好该工具需要

1、技术人员理解有限元分析的基本理论与方法

2、对工程问题有较好的认识与理解

3、足够准确的原始数据

4、对计算结果较好的分析能力。