輪子的受力及變形分析

摘要：本文主要是基於ANSYS軟體結構線性靜力分析，主要用來分析由於穩態外載荷所引起的系統或零部件的應力、應變、和作用力。利用ANSYS對輪胎進行建模，運用ANSYS軟體對其進行有限元分析，定義材料屬性和單元屬性，考慮接觸問題，得到合適的輪子模型。運用ANSYS軟體對輪子模型施載入荷，將輪子的載荷轉換到有限元模型上，得到輪子在各個方向上的位移及變形情況。

關鍵詞：ANSYS；輪子；受力；變形

1 引言

1、離散化的思想最早可以追溯到20世紀40年代，A.Hrennikoff首次提出用離散元素法彈性力學問題；20世紀50年代因航空工業的需要，美國波音公司首次採用三節點三角形單元，將矩陣位移法用到平面上；20世紀60年代有限單元法發展迅速，這一階段奠定了有限單元法基礎；20世紀70年代以來，有限元法得到進一步發展，其應用範圍擴展到所有工程領域；20世紀80年代其數值模擬技術通過計算機程序在工程中得到廣泛應用；目前，ANSYS公司發布了最新的ANSYS 14.0版本，在CAE功能上引領現代產品研發科技，涉及的內容包括:高級分析、網格劃分、優化、多物理場和多體動力學，立足於世界上最多的用戶，ANSYS 14.0不僅為當前的商業應用提供了新技術，而且在其它方面也取得了顯著的進步。

2、通過對輪子進行線性靜力分析，了解對其施載入荷后其在各個方向上的變形情況，讓我們能夠直觀的感受到輪子的受力受力情況。首先，運用ANSYS建立輪子的模型，然後對其施載入荷並對其求解，可以觀察到各個方向的受力情況。

2 模型的建立

2.1 幾何模型的建立

該分析為結構靜力分析，求解輪子在載荷作用下所受到的應力。建模方法為自底向上的建模，即先定義最低級的圖元關鍵點，然後由最低級的關鍵點定義較高的面和體，得到輪子的二維和三維模型，其得到的三維模型如圖一所示：

2.2 網格的劃分

由於該結構為不規則零件，不滿足映射網格的劃分條件，因此該模型的網格劃分方法綜合自由網格劃分和映射網格網格劃分並且在過渡處採用金字塔單元過渡，即採用混合網格劃分的方法。

混合網格劃分方法就是在幾何模型上，根據各部位的特點，分別採用自由、映射、掃略等多種網格的劃分方式，以形成綜合效果盡量好的有限元模型。混合網格劃分方式要在計算精度、計算時間、建模工作量等方面進行綜合考慮。

劃分網格得到如圖二所示：

3 結果分析

3.1 應力分布圖

通過ANSYS對輪子施載入荷后得到圖三所示的應力分布圖：

圖三 應力分布圖

通過對輪子的應力分布圖可以看出輪子在圓孔周圍及內輪緣下半部分和外輪緣的大部分表面應力較大，而內輪緣上半部分幾乎沒有應力集中，其受到的應力最小，其中最大的應力出現在內輪緣下半部分與輪輻的結合處，其最大應力為530852N/m^2，最小應力出現在輪緣的上半部分為347303N/m^2，從整體分佈來看，應力在外輪緣分佈比較集中，但其應力並不是特別大。

因此，在平時生活中，我們要記住汽車輪胎不能固定一個部位長期的行駛，應該定期的去更換輪胎的位子，這樣才能夠保證到整個輪胎平均受力，也做到磨損平均。所以有的專家提醒正常的車輛在一般的情況下每行駛到5000公里應做一次輪胎換位，每行駛5000公里-1萬公里做一次四輪定位，定期的更換輪胎位子以避免造成輪胎非正常過度磨損。

3.2沿Z軸的擴展結果

通過改變坐標位置，得到沿Z軸的擴展結果如圖四所示：

圖四 沿Z軸擴展結果

通過對Z軸擴展結果圖觀察，輪子的應力主要集中在輪輻與輪緣的結合處以及輪子的表面，其輪子的中心處受到的應力最小，可以忽略不計。

因此，在製造輪子時為保證輪子的強度及壽命，一定要保證輪子輪輻與輪緣結合面的強度，防止輪子在過大負荷時出現斷裂以及疲勞損壞的情況。

4 結論

1、通過ANSYS對輪子施載入荷並對其結果分析可得，該輪子的受力情況符合日常生活中輪子的實際受力情況。針對日常生活中輪胎的受力情況，我們應該在製造過程中應對輪子受力較大的地方使用較好的材料，而對受力較小的地方則採用稍差一點的材料，這樣，既可以節省很多材料，也可以節約廠家的成本，從而實現共贏。

2、隨著現代科學技術的發展，人們正在不斷建造更為快速的交通工具、更大規模的建築物、更大跨度的橋樑、更大功率的發電機組和更為精密的機械設備。這一切都要求工程師在設計階段就能精確地預測出產品和工程的技術性能，需要對結構的靜、動力強度以及溫度場、流場、電磁場和滲流等技術參數進行分析計算。例如分析計算高層建築和大跨度橋樑在地震時所受到的影響，看看是否會發生破壞性事故；分析計算核反應堆的溫度場，確定傳熱和冷卻系統是否合理；分析渦輪機葉片內的流體動力學參數，以提高其運轉效率。這些都可歸結為求解物理問題的控制偏微分方程式，這些問題的解析計算往往是不現實的。近年來在計算機技術和數值分析方法支持下發展起來的有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）方法則為解決這些複雜的工程分析計算問題提供了有效的途徑。