第29卷第2期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2010年4月
V ol.29 No.2 Journal
of Liaoning Technical University （Natural Science ） Apr . 2010 收稿日期：2009-08-07
基金项目：辽宁省重大科技攻关基金资助项目（2006219008）
作者简介：武海滨（1964-）男，硕士，副教授，主要从事有限元的分析与设计，E-mail: whbjz666@yahoo 。本文编校：焦 丽 文章编号：1008-0562(2010)02-0282-03
武海滨1，闫绍峰2，仪登利2
（1.辽宁石化职业技术学院 机械技术系，辽宁 锦州 121001；2.辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001）
摘 要：为了对铝合金轮毂进行力学性能的分析，基于CAD 软件UG 进行铝合金轮毂的三维建模，以幅
板厚度和两幅板间夹角为变化量，建立了不同结构尺寸和形状的铝合金车轮模型。通过对有限元计算结果的分析，到了幅板厚度和两幅板间夹角的最佳范围。结果表明：该方法可缩短设计周期，降低成本，对工程应用有一定的实用价值。 关键词：UG 建模；铝合金轮毂；ANSYS ；有限元 中图分类号：U 463 文献标识码：A FEM analysis on aluminum alloy wheel hub
WU Haibin 1，YAN Shaofeng 2，YI Dengli 2
射洪县卫生局
(1.Department machinery Technology, Liaoning Petrochemical Vocational and Technology College, Jinzhou 121001 ,China;2. Faculty of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning Institute of
Technology , Jinzhou 121001 ,China)
Abstract ：A 3D aluminum alloy wheel hub is normally modeled using UG tool in CAD software. In this study, the wheel hub models with different sizes and shapes are constructed using center plate’s thickness and the angle between two plates as variables. With the analysis on FEM calculation results, the optimal ranges for center plate’s thickness and the angle between two plates are found. The study demonstrates that the method can shorten design cycle and reduce cost. Key words ：UG modeling ；aluminum alloy wheel ；ANSYS ；FEM
0 引 言
随着汽车工业的迅猛的发展，铝合金轮毂的应用越来越普遍。铝合金轮毂具有重量轻，降低油耗；散热性好，提高轮胎寿命；缓冲和吸震性好；造型美观，易加工，耐腐蚀等优点。但中国铝合金车轮行业普遍存在设计周期长，制造成本高等现状。因此采用先进的三维CAD 软件和大型CAE 软件对汽车铝合金轮毂进行结构设计，有利于缩短设计周期，提高产品质量。目前，在中国用有限单元法对
铝合金车轮进行研究还处在起步阶段。只有少数的
科研院所和高校对钢制车轮进行有限元分析研究[1-3]
。因此，有必要把有限元技术应用到铝合金车轮上，以解决生产实际问题。
1 UG 建模和网格划分
1.1 UG 建模 （1）在草图环境绘制出轮辋的轮廓，选择回转命令生成轮辋实体； （2）用拉伸和布尔运算在轮辋上创建一个气门孔； （3）利用回转命令建成轮毂实体，并在轮毂
上用布尔运算和阵列螺栓孔； （4）通过用导入命令，使轮辋和轮毂在同一个UG 文件下创建辐条；选择一垂直平面，绘制辐条轮廓，选择回转命令和旋转角度建立一根辐条；按同样方法，建立其余辐
条； （5）用布尔和运算使轮辋、轮毂、辐条成为一体，完成铝合金车轮的几何建模，如图1。 1.2 网格划分 ANSYS 提供多种网格划分方法，可以实现对网格密度及形态的精确控制。ANSYS 网格划分方文书档案
高州市第二中学法有：延伸划分、映射划分、自由划分和自适应划分。由于车轮是极不规则的实体，所以本文采用的是自由网格划分，所有结点都是计算机根据几何模型的特征自行计算的，所达到的精度足够，并且运
算的速度相对快一些，而且考虑到了局部网格细
化，不容易出错。选中Smart Size ，划分精度为8
级，分网结果如图2。共有185 366个单元。由此建立了铝合金车轮的有限元模型，如图2。
第2期 武海滨，等：铝合金轮毂的有限元分析 283
图1 UG 中的轮毂模型 图2 模型分网
Fig.1 wheel model in UG Fig.2 model mesh
2.1 试验设备
轮毂材料为A356(ZAlSiMg)，国内牌号为
ZL101。材料属性：密度为2. 7 ×103 kg/m 3，弹性模量为68.8 GPa ，泊松比为0.35。 其许用应力[σ]=240 MPa 。试验设备如图3和图4。 2.2 应力分析
（1）以幅板厚度为变量车轮的应力分析
保持幅板间夹角不变，对幅板不同厚度的铝合金车轮进行应力计算。Colour Plot 云图如图5。从云图显示应力结果上看，最大应力值出现在幅板根部，这与实际冲击试验时幅板根部常发生断裂的结果一致。
（2）以幅板间夹角为变量车轮的应力分析 保持幅板厚度不变，对幅板间不同夹角的铝合金车轮进行应力计算。Colour Plot 云图如图6。从云图显示应力结果上看，最大应力值出现在幅板根部，这也与实际试验结果一致。
2.3 不同条件下应力计算结果
不同幅板厚和不同幅板间夹角的车轮应力计
算结果分别如表1和表2。
图3 冲击试验机 Fig.3 impact test machine
图4 支架调节装置
Fig.4 bracket controlling
device
图5 应力云图 Fig. 5 stress nephogram 图6 应力云图 Fig.6 tress nephogram
辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第29卷
284表1 不同幅板厚的车轮应力计算结果
Tab.1 Calculation stress of different former’s thickness萨奇尔
幅板厚 /mm 分网单元 数目/个 最大应力值/MPa 幅板厚mm 分网单元数目/个 最大应力值
/
MPa 10.0 181 569 1 270.4 19.0 185 718 175.3 15.0 183 412 265.4 19.5 185 366 168.8 16.0 185 551 242.7 20.0 192 711 152 17.0 181 480 196.8 20.5 197 541 181 18.0
185 420
182.5 21.0 210 942
181.3
表2不同幅板间夹角的车轮应力计算结果
Tab.2 Calculation stress of different former’s included angle
幅板间 夹角/(°) 分网单元 数目/个 最大应力值 /MPa 幅板间 夹角/(°) 分网单元 数目/个 最大应力值/MPa 50 194 934 360 65 178 633 178.2 53 184 850 168.1 70 179 134 201.5 56 211 298 155.1 80 179 850 209.6
60 181480 152 90 192711 206
2.4 应力结果分析
将表1和表2结果分别绘制成图7和图8，并与铝合金材料的许用应力值作比较：由图7可知，幅板厚度在16 mm ＜T ≤20 mm 范围时，车轮的最大应力值小于铝合金材料的许用应力240 MPa ，此时车轮达到强度要求，为了满足材料较省（幅板厚度值小），同时车轮的最大应力值还较小两个条件，幅板厚度的最佳范围为18 mm 至20 mm 之间；由图8可知，幅板间夹角在50°至60°范围内变化时，夹角越大，车轮的应力值越小，车轮越安全。当两幅板间夹角为60°时，车轮的最大应力值最小，车轮是最安全的。因此，幅板间夹角的最佳范围为53°至60°。
3 结 论
（1）利用UG 软件的表达式功能和可编辑器，可快速准确的进行铝合金车轮的参数化建模。对于曲面较多、结构复杂的车轮可用UG 软件的特征造型、旋转、拉伸、阵列和布尔操作等命令轻松实现几何造型。抗日军政大学
（2）利用ANSYS 软件建立基于冲击试验条件下的车轮的受力模型，并进行静强度计算。到车轮的最危险位置，计算结果与实际试验结果基本吻合，说明有限元分析是正确性，应力计算结果是可靠的。
（3）运用CAD 造型软件UG 建立铝合金车轮的参数化模型，利用有限元分析软件ANSYS 对铝合金车轮进行强度分析，设计者可以在车轮未生产出来之前就对车轮的应力状态有了较明确的认识，可减少设计的盲目性、缩短设计周期、降低生产成本，为企业带来巨大的经济效益。
参考文献：
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图8 不同幅板间夹角的车轮应力
Fig.8 calculation stress of different former’s included angle
5060708090
夹角/(°)
应力/M P a
图7 不同幅板厚度的车轮应力
Fig.7 calculation stress of different former’s thickness
15
16
17
18192021
厚度/mm
应力/M P a
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