专利名称：：一种考虑残余应力的车轮外加载荷的应力数值分析方法
技术领域：
：本发明涉及一种汽车车轮外加载荷的应力数值分析方法，尤其是涉及一种考虑残余应力的车4仑外加载荷的应力数值分^f方法。
背景技术：
：随着能源的日益紧缺，汽车轻量化和节能降耗的要求增加，为了实现汽车车轮的轻量化设计，设计工程师们按应力优化轮辐和轮毂的几何尺寸，但分析时并没有考虑残余应力的影响。整体式铸造铝合金汽车车轮从制造出来本身就存在着残会应力，决于铸造过程产生的铸造残余应力由于热应力和车轮构件在凝固、冷却时各部分壁厚的不均匀、形状的非对称性、浇铸和造型等铸造技术的影响而引起的结构应力以及由于材料的组织与成份的不均匀而引起的组织应力等的综合作用的结果；还取决于机械加工引起的残余应力以及热处理对残余应力的消减作用。车轮作为整车行驶部分的主要承载件是左右整车性能最重要的安全部件，在技术上应用价值的观点更加突出，而残余应力的存在对于车轮的尺寸稳定性、疲劳强度及应力腐蚀等都将产生直接的影响。因此，车轮优化过程中残余应力是一个不可忽略的重要因素。开展车轮残余应力的研究，对于如何按照工况正确确定车轮的优化设计应力，保证其应用的可靠性，具有重要的现实意义。本发明利用ProCAST的StressAnalysis应力计算模块计算出车轮铸件的铸造残余应力，把此值按比例缩小，作为机械加工、热处理消减后的最终残余应力，把计算结果通过程序转换到ANSYS软件中作为车轮优化设计的初始残余应力，再进行考虑残余应力的整体式铸造铝合金车轮外加载荷的应力数值分析，这为车轮铸件结构分析的可靠性提供了保证，目前这方面的研究分析工作报道尚无。下文中，除非特别限定，残余应力均指铸造残余应力、机械加工引起的残余应力以及热处理消减后的残余应力这三者的复合。
发明内容1、发明目的本发明的目的是，针对现有技术的不足，提出整体式铸造铝合金汽车车轮优化设计过程中忽略的残余应力问题，考察残余应力对车轮结构分析过程的影响，以完善车轮优化设计的可靠性。2、技术方案为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤1)计算残余应力首先利用ProCAST的StressAnalysis应力计算模块计算出整体式铸造铝合金汽车车轮的铸造残余应力。2)对车轮铸件的有限元网格的节点信息、单元信息以及残余应力数据进行转换编写程序，把在ProCAST中建立的车轮铸件的有限元网格的节点信息、单元信息以及计算得到的车轮铸件节点上的残余应力分量转换到ANSYS软件中。本步骤包括，①将单元信息啦支格式转换，并由ProCAST读入到ANSYS中；②将铸件残余应力和铸型的应力数据信息分离；③将铸造残余应力到转化为ANSYS软件的能够处理的数据，转换时将ProCAST计算的铸造残余应力值按比例縮小，作为机械加工和热处理消减后的最终残余应力，并加载到有限元网格单元的节点上。3)考虑残余应力的整体式铸造铝合金车轮外加载荷的应力数值分析利用ANSYS软件在车轮中间凸台面施加所有自由度的约束，对车轮分别施加径向载荷、轴向载荷以及扭矩载荷，进行考虑残余应力的整体式铸造铝合金车轮应力数值分析。3、有益效果本发明与现有的铝合金车轮外加载荷的应力数值分析相比较，有如下优点1)考虑了残余应力对车轮外加载荷的影响，保证车轮优化设计应用的可靠性。2)完善了铸造承载构件优化设计过程中不可忽略的残余应力问题，这种应力数值分析方法适用于所有铸造承载构件的结构分析优化工作。图1是Exchange-Element,m程序流程图2是Read-Stress.m程序流程图3是Exchange-Stress,m程序流程图。具体实施例方式现结合实例对本发明作进一步的描述。1.铸造残余应力的计算利用ProCAST的StressAnalysis应力计算才莫块对型号为6019的整体式铸造铝合金汽车车轮的铸造残余应力进行计算。计算时采用热弹塑性模型，该模型不直接计入粘性效应，它认为材料屈服前为弹性，屈服后则为塑性，弹性模量与屈服应力是温度的函数，且当材料接近熔点时，弹性模量与屈服应力均变为0。车轮铸件材料为A356.2,成分的质量分数为=7%,w(Mg)=0.33%,余f为4吕，泊;^比<7=0.33。铸型模具材料为H13热做模具钢，模具之间的界面传热系数h-1500W/m2][,模具与铸件之间界面传热系数h-1280W/WK。铸件浇注温度为705°C,上模的初始预热温度为36(TC,侧模为360°C,下模为43(TC，充型过程加压参数见表l。表l.充型过程压力参数时间(sec)092330240240.001压力(Mpa)0.10.1210.130.170.170.1经过1490时间步6019整体式铸造铝合金车轮脱模后的铸造残余应力计算结果，部分数值见表2:最小应力值为1.4246MPa,最大应力值为88.65MPa。表2.部分节点铸造残余应力分量数值1-3.084660E+001-3.440561E+001-1.980405E+0001.336415E+007-3.912572E+0062.793490E+0071.614489E+006一l.411608E+0065.256622E+006_2-3.290963E+001-3.850466E+001-5.011078E+0001.492716E+0076.023698E+0052.926906E+007-1.870780E+004-1.986648E+0061.226416E+007_3-3.035487E+001-3.831791E+001-2.812787E+0001.935827E+007-4.037990E+0062.852041E+0074.977661E+006-1.782358E+Q067.170670E+006_4-3.157956E+001-3.571276E+001-1.406394E+0001.003262E+007—3.400136E+0062.237705E+0072.034670E+006-2.398003E+0064.954217E+006_5-3.019288E+001-3.422437E+0011.584132E+0009.309748E+006-4.497637E+0062.490351E+0072.135386E十006-9.844503E+005_3.097015E+006_6-3.216256E+001-3.862284E+0013.323390E-0121.155947E+0071.584851E+0042.268593E+0071.732076E+006~~-1.020992E+0069.460756E+005_7-6.842934E+0011.279001E+0021.97444~E+0024.848518E+007-1.428644E+007-7.328584E+005-4.785175E+0061.306400E+0072.021340E+007_8—6.846997E+0011.261310E+0021.971450E+0025.015738E+007-1.059095E+0073.003916E+006-5.483835E+0061.569466E+0072.029284E+0072.车轮铸件的有限元网格节点信息、单元信息以及残余应力数据的转换因ProCAST不具有结构分析功能，利用ANSYS软件作为结构分析平台，因此需要解决两软件之间的数据传递这一关键问题。根据ProCAST与ANSYS软件的各模块的具体情况，需完成两方面的工作一是铸件三维实体剖分的有限元网格格式的转换，包括节点信息、单元信息；二是由ProCAST计算得到的铸造残余应力转换为ANSYS结构分析中初始载荷。利用MATLAB编写程序，将ProCASY中建立的6019整体式铸造铝合金车轮有限元网格的节点信息、单元信息以及计算得到的车轮各节点六个残余应力分量转换到ANSYS软件中。(1)单元信息的转换其中节点信息可直接由ProCAST读入到ANSYS中，不用^故任何转换，单元信息需要做格式转换才能由ProCAST读入到ANSYS中。利用亂TLAB编写相应的单元转化程序Exchange-Element,m，程序流程图见图1。1.读取ProCAST建立的网格单元信息文件到内存；l判断读取数m是否小于等于单元个数，若否，则结束计算；3.若m小于等于单元个数，则取单元文件的m行；4.将m行排列成ANSYS可识别的单元信息格式；5.保存为ANSYS识别的单元信息文件，读取数m加1;6.继续判断m是否小于等于单元个数，执行2-5步循环，直到大于网格单元个数，结束。Exchange-Element,m程序如下clearall;%clc;elem_number=618556;nodenumber=127614;m=l;%循环111赋初值；fp1=fopen('wheel.ansys.dem','r');fp2=fopen('wheel.ele'，'a+');whilem<=elem—numbern=(m-1)*83;fseek(fjpl,n,-l》a=fgets(fyl);ele_procast=str2num([a(l:8)a(8:15)a(16:22)a(23:29)a(53:59)a(71:77)]);fi)rintf(fi32，'0/06d0/06d0/06d%6d%6d%6d%6d%6d0/06d%6d%6d%6d%6d%6d\n'，ele_procast(l)，ele_procast(2)，ele_procast(3),ele_procast(3)，ele_procast(4),ele_procast(4),ele_procast(4),ele_procast(4),ele_procast(5)，2，2,1,0,m);m=m+l;endfclose('all');利用Exchange-Element,m程序将6019整体式铸造铝合金汽车车轮ProCAST有限元网格转换到ANSYS中。(2)铸件残余应力与铸型模具铸造残余应力的分离ProCAST计算得到的铸造残余应力数据文件中有车轮铸件残余应力的同时也包含了铸型模具结点上的残余应力(若没有计算铸型上的残余应力，铸型结点上的六个应力分量均为0,同样做为整体输出到残余应力文件上)，在利用ANSYS进行车轮结构分析时铸型应力数据是多余的，因此需把铸件和铸型的应力数据信息分离。利用MATLAB编写了Read-Stress,m程序来分离铸件与铸型的应力数据，程序流程图见图2。1.读取ProCAST计算的铸造残余应力文件到内存；2.输入轮毂铸件节点信息；3.判断读取数m是否小于等于节点总数，若否，则结束计算；4.若m小于等于节点总数，则进一步判断读取数m是否为铸件节点，若否，则读取数m力口1;5.若m是铸件节点，则取m节点的铸造残余应力；6.保存m节点的所有信息；7.读取数m力。1，执行3-6步循环，直到大于节点总数，结束。Read-Stress,m程序如下clsar311;clc;elem—number=618556;node—number=127614jp=0;fp8-fopen('wheel.ntl'，'r');%打开ProCAST计算的铸造残余应力文件wheel.ntl;^>9=fopen('wheel—stress.txt','a+言)；whilem<10&m<=node_numbern=ll+96*p+m*50;fseek饰8,n,-l);a=fgets(fy8);^3rin卿9,'o/os'，a);nr=m+l;p=p+l;sndwhilem>=10&m<100&m<=node—numbern=ll+96*p+9*50+(m-9)*51;fseek(抓n,画l);a-fgets饰8);fprint物9,'o/os'，a);m=m+l;p=p+l;end.%依次取百、千、万位的节点循环；whilem<=l000000&m>=l00000&m<=node—numbern=ll+96*p+9*(50)+90*51+900*52+9000*53+^000*54+(m-99999)*55;fseek饰8,n,-l);a-fgets饰8);fprint物9,'o/os'，a);m=m+l;endfclose('all');利用以上Read-Stress,m程序得到只含有6019铝合金车轮铸件结点的铸造残余应力文件wheel—stress,txt。(3)残余应力凄W直的转换ANSYS接受的应力文件格式如表3所示表lANSYS单元节点的应力文件格式!************STRESSINITIALIZATIONFILEFORANSYSThisfile,istress.ist，containsinitialstressdataforsolidl85elements.!Stressforelement1]^^^SxySyzSxzeis，1-8.2945e+006，2.6630e+007,3.8410e+007,—9.8849e+0069.2377e+006，—5.8415e+006_4.9407e+007，4.7799e+007，3.3859e+007,-2.3952e+0071.1579e+007，2.8638e+007_3.6302e+005，-6.3875e+006,1.8160e+007,-6.6346e+006,-2.8319e+006，5.5793e+0063.6302e+005，—6.3875e+006,1.8160e+007，-6.6346e+006,-2.8319e+006,5.5793e+0062.0971e+007,6.8463e+007，6.7477e+007，-1.6473e+007,-1.8352e+007，-2.1799e+0072.0971e+007，6.8463e+007，6.7477e+007，—1.6473e+007,-1.8352e+007,—2.1799e+0072.0971e+007，6.8463e+007,6.7477e+007，-1.6473e+007，—1.8352e+007,-2.1799e+007'2.0971e+007，6.8463e+007，6.7477e+007，-1.6473e+007，-1.8352e+007,—2.1799e+007比较表2ProCAST计算得到的节点六个残余应力分量与表3ANSYS接受的应力文件格式，可知两文件格式相差很大。利用MATLAB编写Exchange-Stress,m程序实现ProCAST计算的铸造残余应力到ANSYS软件的数据转换，转换时将ProCAST计算的铸造残余应力值按50%比例缩小，作为机械加工和热处理消减后的最终残余应力，Exchange-Stress,m程序流程图见图3。1.读取Read-Stress生成的4仑毂铸造残余应力文件；2.将轮毂铸造残余应力数值乘0.5，作为为机械加工残余应力和热处理后对铸造残余应力的消减；3.读取Exchange-Element中轮毂铸件节点信息、单元信息；4.判断读取数m是否小于等于单元总数，若否，则结束计算；5.若m小于等于单元总数，则取m单元的节点k;6.查找节点k的应力值；7.按照ANSYS应力文件格式保存节点k的应力值；8.读取数m加l，执行4-7步循环，直到大于单元总lt，结束。Exchange-Stress,m程序如下clearall;clc;elem—number=618556;node—number^127614jele—Hs=[Lele_num=[];ss=0.5*i;];sss=l:1:node一number;s=[sss'ss];fjp4=fopen('istress.ist'，'a+');fj)rintf(fp4,'！************STRESSINITIALIZATIONFILEFORANSYS—tf(fp4,'!\n');fprintf(fp4,'！Thisfile,istress.ist，containsinitialstressdata\n，)；fprintf(fp4，'！forsolidl85elements.\n');fprintf(fp4,W);whilei<=length(ele—num)fprintf(fp4,'！Stressforelement%d\n'，ele—num(i));fprintf(fp4,'！SxSySzSxySyzSxzW);fprintf(fJ34,'eis,0/od\n'，ele—num(i));k=l;p=l;node=ele—lis(i，p);whilek<=node—numberfind—node=s(k,l);ifnode=fmd—nodefprintf(fj)4,'0/ol2.4e,%12.4e,%12.4e,%12.4e，％12.4e，％12.4e\n'，s(k,2)，s(k,3),s(k，4),s(k,5)，s(k，6),s(k,7));k=node—number;endk=k+l;endk=l;P=2;node=ele—lis(i,p);whilek<=node—numberfind—node=s(k，1);ifnode==fmd__nodefprintf(W%12.4e,%12.4e,%12.4e,%12.4e,%12.4e,%12.4e\n',s(k,2),s(k，3),s(k，4),s(k，5)，s(k，6)，s(k，7));k=node—number;endk=k+l;endk=l;p=3;%pnode=ele—lis(i，p);%nodewhilek<=node_numberfind—node=s(k，1);ifnode-flnd一nodefprintf(fp4,'%12.4e,%12.4e,%12.4e,%12.4e,%12.4e，％12.4e\n',s(k，2),s(k,3),s(k,4),s(k，5),s(k,6)，s(k,7));fyrintf(Q)4,'%12.4e,%12.4e，％12.4e,%12.4e,%12.4e，％12.4e\n',s(k,2),s(k,3),s(k，4),s(k,5),s(k,6),s(k,7));k=node—number;endk=k+l;endk=l;p=5;node=ele—lis(i,p);whilek<=node—numberfind—node=s(k,1);ifnode==find—nodefyrint柳4,'o/ol2.4e，o/ol2.4e,o/ol2.4e，o/ol2.4e,o/ol2.4e,o/ol2.4eW,s(k，2)，s(k,3)，s(k,4),s(k，5),s(k,6),s(k,7));fprintf(Q4，'％12.4e,0/012.4e，％12.4e,%12.4e,%12.4e，％12.4eW，s(k,2),s(k，3),s(k,4),s(k，5),s(k,6)，s(k,7));fprintf(Q34,'%12.4e，％12.4e,%12.4e，％12.4e,%12.4e，％12.4e\n',s(k,2),s(k，3),s(k,4),s(k，5),s(k，6)，s(k，7));fprintf(Q)4,'%12.4e,0/012.4e,%12.4e，％12.4e,%12.4e，％12.4e\n',s(k，2),s(k，3),s(k,4),s(k，5)，s(k,6),s(k，7));k=node—number;endk=k+l;endfprint物4,'!W);i=i+l;endfprint物4,'fprint物4,'&rintf(W*********\n,)\n，)；Endofinitialstressfile\n');fclose('all');转换后得到ANSYS识别的应力文件istress.ist，将其作为初始应力值加载到转换到ANSYS中的6019整体式铸造铝合金车轮有限元网格单元的节点上。3.未考虑残余应力的铝合金汽车车轮外加载荷的应力数值分析(1)对车轮施加径向载荷利用ANSYS软件在6019整体式铸造铝合金车轮中间凸台面施加所有自由度约束，对轮辋轴向80°/。处施加径向8000N的载荷。(2)对车轮施加轴向载荷同样在6019整体式铸造铝合金车轮中间凸台面施加所有自由度约束，对轮辐径向50%处施加轴向8000N的载荷。(3)对车轮施加扭矩载荷约束同上，对轮辋正对两侧的轴向70%处施加垂直于轴向的切向载荷，大小均为8000N,方向相反。4考虑残余应力的铝合金汽车车轮外加载荷的应力数值分析(1)考虑残余应力的径向加载的车轮应力数值分析在6019整体式铸造铝合金车轮中间凸台面施加所有自由度约束，对加载残余应力后的6019整体式铸造铝合金车轮轮辋轴向80%处施加径向8000N的载荷。(2)考虑残余应力的轴向加载的车轮应力数值分析约束同上，对加载残余应力后的6019整体式铸造铝合金车轮轮辐径向50%处施加轴向8000N的载荷。(3)考虑残余应力的对车轮施加扭矩载荷的车轮应力数值分析约束同上，对加载残余应力后的6019整体式铸造铝合金车轮轮辋正对两侧的轴向70%处施加垂直于轴向的切向载荷，大小均为8000N,方向相反。<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表4对不同载荷下应力的极值进行了比较，对车轮仅施加径向载荷时，车轮的等效应力最小值为0.OOMPa,最大应力值为119.OOMPa;考虑了残余应力后施加同样的径向载荷，应力最小值从O.OOMPa升到1.28MPa,最大值从119.OOMPa降到117.OOMPa。对车4仑施加轴向载荷时，在考虑残余应力的情况下，等效应力最小值有所上升，最大值有所下降；对车轮施加扭矩载荷时，在考虑残余应力的情况下，等效应力最小值和最大值均有所上升。以上考虑残余应力后各种载荷情况下等效应力发生了变化，这是由于残余应力的方向与施加载荷产生的等效应力的方向可能相同，也可能相反，如果两者方向相同，在节点处的应力叠加，从而增大该节点处的应力值，方向不一致时则相互抵消，减小了其等效应力。既说明，在考虑了残余应力后外加载荷，车轮的应力无论是数值还是方向都发生了重新分配。因此，残余应力作为影响外加载荷作用下车轮应力分布的重要因素是一个不可以忽略的量。这种考虑残余应力的外加载荷的汽车车轮应力数值分析方法更贴近事实，正是由于残余应力的方向与外加载荷产生的等效应力方向的异同导致了应力的叠加或者抵消关系，从而形成了汽车车轮在安装后的初始动态应力状态。权利要求1、一种考虑残余应力的车轮外加载荷的应力数值分析方法，其特征在于，包括以下步骤1)计算残余应力利用ProCAST的StressAnalysis应力计算模块计算出整体式铸造铝合金汽车车轮的铸造残余应力；2)对车轮铸件的有限元网格的节点信息、单元信息以及残余应力数据进行转换编写程序，把在ProCAST中建立的车轮铸件的有限元网格的节点信息、单元信息以及计算得到的车轮铸件节点上的残余应力分量转换到ANSYS软件中。3)考虑残余应力的整体式铸造铝合金车轮外加载荷的应力数值分析利用ANSYS软件在车轮中间凸台面施加所有自由度的约束，对车轮分别施加径向载荷、轴向载荷以及扭矩载荷，进行考虑残余应力的整体式铸造铝合金车轮应力数值分析。2、根据权利要求l所述的一种考虑残余应力的车轮外加载荷的应力数值分析方法，其特征在于，步骤2)进一步包括，.1)将单元信息啦文格式转换，并由ProCAST读入到ANSYS中；.2)将铸件残余应力和铸型的应力数据信息分离；.3)将铸造残余应力到转化为ANSYS软件的能够处理的数据，转换时将ProCAST计算的铸造残余应力值按比例缩小，作为机械加工和热处理消减后的最终残余应力，并加载到有限元网格单元的节点上。全文摘要本发明公开了一种考虑残余应力的车轮外加载荷的应力数值分析方法，包括以下步骤，1)计算残余应力；2)对车轮铸件的有限元网格的节点信息、单元信息以及残余应力数据进行转换；3)考虑残余应力的整体式铸造铝合金车轮外加载荷的应力数值分析。本发明与现有的铝合金车轮外加载荷的应力数值分析相比较，有如下优点1)考虑了残余应力对车轮外加载荷的影响，保证车轮优化设计应用的可靠性。2)完善了铸造承载构件优化设计过程中不可忽略的残余应力问题，这种应力数值分析方法适用于所有铸造承载构件的结构分析优化工作。文档编号G06F17/50GK101419644SQ20081023431公开日2009年4月29日申请日期2008年11月11日优先权日2008年11月11日发明者苏大为,赵玉涛,刚陈申请人:江苏大学