1.本发明涉及车轮有限元分析技术领域,特别是一种提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法。
背景技术:2.目前车轮有限元分析中,由于轮胎使用的材料复杂,分析中不易对轮胎模型进行模拟,为了获得较精确的车轮的分析结果,有必要将轮胎施加于车轮上的力进行等效处理。现有的使用有限元方法对轮毂应力分析计算有以下两种方法:
3.一、将分布载荷作处在的压力分布角均匀划分为16个区域,通过求解每个区域的力再对对应单个区域进行逐一加载分析,例如《汽车车轮轮辐疲劳裂纹位置预估》于2009年11月的《华侨大学学报》第30卷第6期;
4.二、通过将压力分布角内的分布载荷进行积分,求出任意角度分布压力与车轮径向载荷的几何关系,再对所得表达式使用三角公式展开,得到较为复杂的分布压力与几何坐标的关系表达式,再使用该表达式输入到有限元分析软件(abaqus)中进行求解,例如长安汽车工程研究院总院发布的《abaqus在钢车轮径向疲劳仿真分析中应用》。
5.但是以上两种方法都存在一些缺陷,方法1中计算模型的精度低,因为将分布载荷的压力分布角均匀划分成16区域,根据近似值研究,圆心角小于0.17
°
才能获得小数点后两位的精度,并且80
°
的压力角只划分16个区域显然不符合加载精度要求,其次将16个载荷逐一加载也造成分析效率低下;方法2中将分布压力与车轮径向载荷的几何关系表达式使用三角公式展开,推导繁琐较浪费时间,并且使用三角公式展开之后的关系表达式进行分析将引起多次引用变量,使得计算机求解时间加长。
技术实现要素:6.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊,而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
7.鉴于上述和/或现有的提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法中存在的问题,提出了本发明。
8.因此,本发明所要解决的问题在于如何解决现有的提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法精度不准,并且计算推导及计算机分析时间长。
9.为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:一种提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法,其包括,利用余弦分布载荷的合力与地面或者台架试验机传递给车轮的径向载荷相等,通过将压力分布角内的分布载荷进行积分,求出任意角度分布压力与车轮径向载荷的几何关系;利用反正切关系得到分布压力与车轮所处几何坐标的关系表达式;使用该表达式输入到有限元分析软件中进行求解,得到较为精确的车轮结构应力值或应变值。
10.作为本发明所述提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法的一种优选方案,其中:分部到各加载面上的压力可按如下公式计算:
[0011][0012]
式中:θ为各加载面上的压力w
r
与最大载荷w0之间的夹角,θ0为压力分布角。
[0013]
作为本发明所述提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法的一种优选方案,其中:余弦分布载荷的合力与地面或者台架试验机传递给车轮的径向载荷f
d
相等,故有以下公式:
[0014][0015]
整理式(2)得:
[0016][0017]
式中:r
b
为胎圈座半径,b为胎圈座宽度;
[0018]
将式(1)代入式(3)得到:
[0019][0020]
对上式进行积分得:
[0021][0022]
整理上式得:
[0023][0024]
将式(6)代入式(1)可得到分布压力w
r
与车轮径向载荷f
d
的方程:
[0025][0026]
式中f
d
为车轮径向载荷。
[0027]
作为本发明所述提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法的一种优选方案,其中:根据f
d
=f
v
*k,将其代入式(7)中,得到胎圈座上得分布压力w
r
:
[0028][0029]
式中:k为强化试验系数,f
v
为额定载荷。
[0030]
作为本发明所述提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法的一种优选方案,其中:将车轮以x轴为旋转轴建立局部坐标系,在此局部坐标系下可得:
[0031][0032]
将式(9)代入式8中,得:
[0033][0034]
即:
[0035][0036]
式中:f
v
的单位是n;b的单位是mm;r
b
的单位是mm;θ的单位是rad。
[0037]
作为本发明所述提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法的一种优选方案,其中:将车轮及试验工况参数r
b
、b、k、f
v
和θ0代入式(10)中,并将代入参数后的式(10)输入有限元分析软件中,实现车轮径向载荷w0在胎肩上的余弦加载。
[0038]
作为本发明所述提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法的一种优选方案,其中:有限元分析软件采用abaqus软件。
[0039]
作为本发明所述提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法的一种优选方案,其中:利用abaqus软件中analyticalfield命令设置式(10)中函数表达式:并赋予所加载荷w0的值,提交进行计算。
[0040]
本发明有益效果为:
[0041]
1、通过比较正确的径向载荷施加方式提升了分析精度;
[0042]
2、缩短了计算推导及计算机分析时间,以反正切形式代替三角展开的推导形式,减少不必要的推导步骤,通过减少分析中载荷的定义及分析表达式的变量迭代次数减少了计算时间,加速有限元分析模型收敛。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
[0044]
图1为实例1中提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法的径向加载原理图。
[0045]
图2为实例1中提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法的车轮数学模型图。
[0046]
图3为实例1中提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法的车轮网格模型图。
[0047]
图4为实例1中提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法的局部坐标系。
[0048]
图5为实例1中提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法的径向载荷的余弦加载。
具体实施方式
[0049]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0050]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0051]
其次,此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0052]
实施例1
[0053]
参照图1~5,为本发明第一个实施例,该实施例提供了一种提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法,提高有限元分析中轮辋径向加载计算精度的方法包括:
[0054]
利用余弦分布载荷的合力与地面或者台架试验机传递给车轮的径向载荷相等,通过将压力分布角内的分布载荷进行积分,求出任意角度分布压力与车轮径向载荷的几何关系,其中压力分布角的含义为:地面或者台架试验机瞬间对车轮径向施加的压力,由轮胎传递到轮辋的胎圈座,此时压力覆盖在胎圈座的区域为圆弧形状,圆弧两端与对应圆心形成一扇形区域,扇形区域为一圆心角。这个圆心角则定义为压力分布角。需要解释的是,在有限元分析软件abaqus中,需要对车轮胎圈座位置施加一个区域载荷,该区域载荷随位置变化而变化,此时需要通过关系表达式进行加载,故而采用将压力分布角内的分布载荷进行积分以得到任意角度分布压力与车轮径向载荷的几何关系。
[0055]
利用反正切关系得到分布压力与车轮所处几何坐标的关系表达式;使用该表达式输入到有限元分析软件中进行求解,得到较为精确的车轮结构应力值或应变值。
[0056]
需要说明的是,分布载荷即为分布压力。
[0057]
汽车行驶或者台架试验中地面或者台架试验机对车轮施加的力,可以等效为施加在轮辋胎圈座上的分布压力,载荷呈80
°
余弦分布于胎圈座上,如图1所示,其中w0为加载到轮辋上的最大压力;w
r
为分布在加载面上的压力;θ0为压力分布角;r
b
为胎圈座半径;b为胎圈座宽度。
[0058]
根据文献《an investigation of stress and displacement distribution in aluminum alloy automobile rim》的研究,分部到各加载面上的压力可按如下公式计算:
[0059][0060]
式中:θ为各加载面上的压力w
r
与最大载荷w0之间的夹角,θ0为压力分布角。
[0061]
余弦分布载荷的合力与地面或者台架试验机传递给车轮的径向载荷f
d
相等,故有以下公式:
[0062][0063]
整理式(2)得:
[0064][0065]
式中:r
b
为胎圈座半径,b为胎圈座宽度;
[0066]
将式(1)代入式(3)得到:
[0067][0068]
对上式进行积分得:
[0069][0070]
整理上式得:
[0071][0072]
将式(6)代入式(1)可得到分布压力w
r
与车轮径向载荷f
d
的方程:
[0073][0074]
式中f
d
为车轮径向载荷。
[0075]
根据f
d
=f
v
*k,将其代入式(7)中,得到胎圈座上得分布压力w
r
:
[0076][0077]
式中:k为强化试验系数,f
v
为额定载荷。
[0078]
在有限元分析中,需要对车轮数学模型进行网格划分成网格模型,如图2和图3所示。车轮以x轴为旋转轴建立局部坐标系,y
‑
z平面为车轮径向所处平面。定义边界条件,定义载荷的加载方向与施加位置的坐标关系,如图4所示,在此局部坐标系下可得:
[0079][0080]
将式(9)代入式8中,得:
[0081][0082]
将式(10)与式(1)对比,得:
[0083][0084]
式中:f
v
的单位是n;b的单位是mm;r
b
的单位是mm;θ的单位是rad。
[0085]
将车轮及试验工况参数r
b
、b、k、f
v
和θ0代入式(10)中,并将代入参数后的式(10)输入有限元分析软件中,实现车轮径向载荷w0在胎肩上的余弦加载,根据得到的车轮结构应力值或应变值,判断车轮结构是否合理,若不合理,则更改车轮结构或者车轮材料。车轮及试验工况参数中,额定载荷f
v
是根据车型进行选值。强化实验系数k为国标规定值;胎圈座总宽度b、胎圈座半径r
b
、压力分布角θ0均根据其车轮尺寸所对应的国标规定范围进行选值。
[0086]
有限元分析软件采用abaqus软件,利用analyticalfield命令设置式(10)中函数表达式:并赋予所加载荷w0的值,提交进行计算。
[0087]
在实际分析中的,车轮及试验工况参数如下表:
[0088]
表1车轮及试验工况参数
[0089][0090]
表1中,除额定载荷f
v
外,其余参数均为十三寸车轮的具体数据,额定载荷f
v
是根据某款小型汽车的最大载荷。
[0091]
根据gb/t 5334
‑
2005,得到f
d
=f
v
*k。将表一数值代入,可得f
d
=3865.14*2=7730.28n,将参数r
b
、b和θ0代入式(10),得到胎圈座上得分布压力w
r
为:
[0092][0093]
以x轴为旋转轴建立的局部坐标,将代入式(11)中得:
[0094][0095]
在有限元分析软件abaqus中,利用analyticalfield命令设置式(12)中函数表达并赋予所加载荷w0的值:1.686979521,提交进行计算,这样就实现了车轮径向载荷w0随着不同胎肩位置下的余弦加载,加载形式如图5所示,加载完成即可提交进行
计算,经判断,此车轮结构合理。
[0096]
综上所述,采用本发明所述方法通过比较正确的径向载荷施加方式提升了分析精度,并且缩短了计算推导及计算机分析时间,以反正切形式代替三角展开的推导形式,减少不必要的推导步骤,通过减少分析中载荷的定义及分析表达式的变量迭代次数减少了计算时间,加速有限元分析模型收敛。
[0097]
应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。