摩托车轮辋应力的有限元分析

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第24卷第4期湖北民族学院学报(自然科学版)VoI．24No．42006年12月JournalofHubeiInstituteforNationalities(NaturalScienceEdition)Dee．2006摩托车轮辋应力的有限元分析范奎，胡春阳(1．湖北民族学院理学院，湖北恩施445000；2．浙江大学机能学院固体力学研究所，浙江杭州310027)摘要：轮辋是摩托车的重要部件，由于材料非线性以及接触非线性等原因使得其承栽情况十分复杂．应用MSC—

2、patran等前后处理软件建立了轮辋的有限元模型并进行了承载情况下的应力分析，比较了三种不同轮型轮辋的疲劳失效情况，所得结论给生产厂家提供了有效的设计依据．关键词：轮辋；应力分析；疲劳失效；有限元计算中图分类号-TB12文献标识码：A文章编号：1008—8423(2006)04—0413—04轮辋是摩托车的重要承载部件，对它的强度及刚度都有较高的要求．结构设计中要求该托架组合体具有很高的可靠性．因此，需要对结构进行有限元计算与结构分析，以进一步指导结构设计，保证结构工作可靠性．由于在车辆行驶时，轮辋上各点将

3、经历复杂的交变应力作用，其主频应是轴重载荷下轮辋不同转角下的简谐运动，其它如面内冲击(路面冲击)、扭转(制动和加速)以及面外弯扭等(转向运动或意外冲撞等)将在此基础上迭加相应的应力分量⋯．这种复杂的边界条件使得其数理模型的建立很困难，而且也不容易得到有实际意义的解．解决这个问题目前主要有两种方法，一是通过实验来测定模拟载荷作用下的结构强度；二是通过大型通用有限元分析软件来进行仿真计算J、轮胎与轮辋的接触问题是高度非线性的，国内外的相关研究人员对此做过不同程度的研究，建立了一些有实际意义的有限元模型．目前来看

4、，有限元分析的可靠性主要取决于模型的精度和非线性有限元理论的研究进展．】轮辋一轮胎接触非线性有限元分析接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的．接触问题属于带约束条件的泛函极值问题，最常用的方法有Lagrange乘子法、罚函数法以及基于求解器的直接约束法】．用直接约束法处理接触问题是追踪物体的运动轨迹，一旦探测出发生接触，便将接触所需的运动约束(即法向无相对运动，切线可滑动)和节点力(法向压力和切向摩擦力)作为边界条件直接施加在产生接

5、触的节点上．这种方法对接触的描述精度高，具有普遍适应性．不需要增加特殊的界面单元，也不涉及复杂的接触条件变化．该方法不增加系统的自由度．对于接触问题，其虚功原理表达式为：f{∑(E+一)+aQ}dT=0(1)II：1式中E，，分别代表系统势能、虚动能和外力所做的虚功，Q为接触势能，n为接触体个数．1．1Lagrange乘子法Lagrange乘子法是用来求解带约束的函数或泛函极值的方法．其思想是通过引入Lagrange乘子将约束极值问题化为无约束极值问题．如果式(1)中写成如下形式，则得到轮胎接触问题的Lag

6、range乘子：Q=gdc收稿151期：2006-08—13．作者简介：范奎(1973一)，男，硕士，讲师，主要从事工程力学的研究维普资讯http://www.cqvip.com4l4湖北民族学院学报(自然科学版)第24卷‘———’。。。———’—。。。‘—————’。。———。—————。。‘‘——_—’-。—————·^___-——'-__--————-___。·————____-—————-_---——_--__．_-——．_____-—-——^。_。．——————，_．—．_————______．—

7、—————_--——————————————————————————一一c为接触表面，r式接触面法向量，r=[7-，r]；g是位移矢量，g：[g，g]，二者均为时间的函数．1．2罚函数法罚函数法与Lagrange乘子法不同之处在于没有在问题中引入额外的因变量，而是对每一个约束引入一个事先指定的参数(罚参数)，一旦接触区域发生穿透，罚参数便夸大其影响，从而使系统的求解无法正常实现．换言之，只有在约束条件满足之后，才能解出有实际物理意义的结果．其接触势能可表示为：Q=fgdc厶a’是沿接触面的分配函数的罚因子．

8、2三维有限元模型的建立应用MSC．Patran进行前处理，根据二维工程图纸，建立托架结构的三维几何模型如图1所示，受载和约束情况如图2所示．正五星形(I型)斜五幅形(Ⅱ型)V形(Ⅲ形)图lQJ125两轮摩托车轮辋的几何模型Fig．1ThegeometricmodelofQJ125motorcycle3有限元计算3．1材料参数材料：ZL101A，E=73GPa，=0．34；单元：空间四面体单元；载荷：竖向2060．