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一種考慮殘余應力的車輪外加載荷的應力數(shù)值分析方法

文檔序號:6471434閱讀:296來源:國知局

專利名稱::一種考慮殘余應力的車輪外加載荷的應力數(shù)值分析方法
技術領域
:本發(fā)明涉及一種汽車車輪外加載荷的應力數(shù)值分析方法,尤其是涉及一種考慮殘余應力的車4侖外加載荷的應力數(shù)值分^f方法。
背景技術
:隨著能源的日益緊缺,汽車輕量化和節(jié)能降耗的要求增加,為了實現(xiàn)汽車車輪的輕量化設計,設計工程師們按應力優(yōu)化輪輻和輪轂的幾何尺寸,但分析時并沒有考慮殘余應力的影響。整體式鑄造鋁合金汽車車輪從制造出來本身就存在著殘會應力,決于鑄造過程產生的鑄造殘余應力由于熱應力和車輪構件在凝固、冷卻時各部分壁厚的不均勻、形狀的非對稱性、澆鑄和造型等鑄造技術的影響而引起的結構應力以及由于材料的組織與成份的不均勻而引起的組織應力等的綜合作用的結果;還取決于機械加工引起的殘余應力以及熱處理對殘余應力的消減作用。車輪作為整車行駛部分的主要承載件是左右整車性能最重要的安全部件,在技術上應用價值的觀點更加突出,而殘余應力的存在對于車輪的尺寸穩(wěn)定性、疲勞強度及應力腐蝕等都將產生直接的影響。因此,車輪優(yōu)化過程中殘余應力是一個不可忽略的重要因素。開展車輪殘余應力的研究,對于如何按照工況正確確定車輪的優(yōu)化設計應力,保證其應用的可靠性,具有重要的現(xiàn)實意義。本發(fā)明利用ProCAST的StressAnalysis應力計算模塊計算出車輪鑄件的鑄造殘余應力,把此值按比例縮小,作為機械加工、熱處理消減后的最終殘余應力,把計算結果通過程序轉換到ANSYS軟件中作為車輪優(yōu)化設計的初始殘余應力,再進行考慮殘余應力的整體式鑄造鋁合金車輪外加載荷的應力數(shù)值分析,這為車輪鑄件結構分析的可靠性提供了保證,目前這方面的研究分析工作報道尚無。下文中,除非特別限定,殘余應力均指鑄造殘余應力、機械加工引起的殘余應力以及熱處理消減后的殘余應力這三者的復合。
發(fā)明內容1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是,針對現(xiàn)有技術的不足,提出整體式鑄造鋁合金汽車車輪優(yōu)化設計過程中忽略的殘余應力問題,考察殘余應力對車輪結構分析過程的影響,以完善車輪優(yōu)化設計的可靠性。2、技術方案為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明所采用的技術方案包括以下步驟1)計算殘余應力首先利用ProCAST的StressAnalysis應力計算模塊計算出整體式鑄造鋁合金汽車車輪的鑄造殘余應力。2)對車輪鑄件的有限元網格的節(jié)點信息、單元信息以及殘余應力數(shù)據進行轉換編寫程序,把在ProCAST中建立的車輪鑄件的有限元網格的節(jié)點信息、單元信息以及計算得到的車輪鑄件節(jié)點上的殘余應力分量轉換到ANSYS軟件中。本步驟包括,①將單元信息啦支格式轉換,并由ProCAST讀入到ANSYS中;②將鑄件殘余應力和鑄型的應力數(shù)據信息分離;③將鑄造殘余應力到轉化為ANSYS軟件的能夠處理的數(shù)據,轉換時將ProCAST計算的鑄造殘余應力值按比例縮小,作為機械加工和熱處理消減后的最終殘余應力,并加載到有限元網格單元的節(jié)點上。3)考慮殘余應力的整體式鑄造鋁合金車輪外加載荷的應力數(shù)值分析利用ANSYS軟件在車輪中間凸臺面施加所有自由度的約束,對車輪分別施加徑向載荷、軸向載荷以及扭矩載荷,進行考慮殘余應力的整體式鑄造鋁合金車輪應力數(shù)值分析。3、有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有的鋁合金車輪外加載荷的應力數(shù)值分析相比較,有如下優(yōu)點1)考慮了殘余應力對車輪外加載荷的影響,保證車輪優(yōu)化設計應用的可靠性。2)完善了鑄造承載構件優(yōu)化設計過程中不可忽略的殘余應力問題,這種應力數(shù)值分析方法適用于所有鑄造承載構件的結構分析優(yōu)化工作。圖1是Exchange-Element,m程序流程圖2是Read-Stress.m程序流程圖3是Exchange-Stress,m程序流程圖。具體實施例方式現(xiàn)結合實例對本發(fā)明作進一步的描述。1.鑄造殘余應力的計算利用ProCAST的StressAnalysis應力計算才莫塊對型號為6019的整體式鑄造鋁合金汽車車輪的鑄造殘余應力進行計算。計算時采用熱彈塑性模型,該模型不直接計入粘性效應,它認為材料屈服前為彈性,屈服后則為塑性,彈性模量與屈服應力是溫度的函數(shù),且當材料接近熔點時,彈性模量與屈服應力均變?yōu)?。車輪鑄件材料為A356.2,成分的質量分數(shù)為=7%,w(Mg)=0.33%,余f為4呂,泊;^比<7=0.33。鑄型模具材料為H13熱做模具鋼,模具之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h-1500W/m2][,模具與鑄件之間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h-1280W/WK。鑄件澆注溫度為705°C,上模的初始預熱溫度為36(TC,側模為360°C,下模為43(TC,充型過程加壓參數(shù)見表l。表l.充型過程壓力參數(shù)時間(sec)092330240240.001壓力(Mpa)0.10.1210.130.170.170.1經過1490時間步6019整體式鑄造鋁合金車輪脫模后的鑄造殘余應力計算結果,部分數(shù)值見表2:最小應力值為1.4246MPa,最大應力值為88.65MPa。表2.部分節(jié)點鑄造殘余應力分量數(shù)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.車輪鑄件的有限元網格節(jié)點信息、單元信息以及殘余應力數(shù)據的轉換因ProCAST不具有結構分析功能,利用ANSYS軟件作為結構分析平臺,因此需要解決兩軟件之間的數(shù)據傳遞這一關鍵問題。根據ProCAST與ANSYS軟件的各模塊的具體情況,需完成兩方面的工作一是鑄件三維實體剖分的有限元網格格式的轉換,包括節(jié)點信息、單元信息;二是由ProCAST計算得到的鑄造殘余應力轉換為ANSYS結構分析中初始載荷。利用MATLAB編寫程序,將ProCASY中建立的6019整體式鑄造鋁合金車輪有限元網格的節(jié)點信息、單元信息以及計算得到的車輪各節(jié)點六個殘余應力分量轉換到ANSYS軟件中。(1)單元信息的轉換其中節(jié)點信息可直接由ProCAST讀入到ANSYS中,不用^故任何轉換,單元信息需要做格式轉換才能由ProCAST讀入到ANSYS中。利用亂TLAB編寫相應的單元轉化程序Exchange-Element,m,程序流程圖見圖1。1.讀取ProCAST建立的網格單元信息文件到內存;l判斷讀取數(shù)m是否小于等于單元個數(shù),若否,則結束計算;3.若m小于等于單元個數(shù),則取單元文件的m行;4.將m行排列成ANSYS可識別的單元信息格式;5.保存為ANSYS識別的單元信息文件,讀取數(shù)m加1;6.繼續(xù)判斷m是否小于等于單元個數(shù),執(zhí)行2-5步循環(huán),直到大于網格單元個數(shù),結束。Exchange-Element,m程序如下clearall;%clc;elem_number=618556;nodenumber=127614;m=l;%循環(huán)111賦初值;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程序將6019整體式鑄造鋁合金汽車車輪ProCAST有限元網格轉換到ANSYS中。(2)鑄件殘余應力與鑄型模具鑄造殘余應力的分離ProCAST計算得到的鑄造殘余應力數(shù)據文件中有車輪鑄件殘余應力的同時也包含了鑄型模具結點上的殘余應力(若沒有計算鑄型上的殘余應力,鑄型結點上的六個應力分量均為0,同樣做為整體輸出到殘余應力文件上),在利用ANSYS進行車輪結構分析時鑄型應力數(shù)據是多余的,因此需把鑄件和鑄型的應力數(shù)據信息分離。利用MATLAB編寫了Read-Stress,m程序來分離鑄件與鑄型的應力數(shù)據,程序流程圖見圖2。1.讀取ProCAST計算的鑄造殘余應力文件到內存;2.輸入輪轂鑄件節(jié)點信息;3.判斷讀取數(shù)m是否小于等于節(jié)點總數(shù),若否,則結束計算;4.若m小于等于節(jié)點總數(shù),則進一步判斷讀取數(shù)m是否為鑄件節(jié)點,若否,則讀取數(shù)m力口1;5.若m是鑄件節(jié)點,則取m節(jié)點的鑄造殘余應力;6.保存m節(jié)點的所有信息;7.讀取數(shù)m力。1,執(zhí)行3-6步循環(huán),直到大于節(jié)點總數(shù),結束。Read-Stress,m程序如下clsar311;clc;elem—number=618556;node—number=127614jp=0;fp8-fopen('wheel.ntl','r');%打開ProCAST計算的鑄造殘余應力文件wheel.ntl;^>9=fopen('wheel—stress.txt','a+言);whilem<10&m<=node_numbern=ll+96*p+m*50;fseek飾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,畫l);a-fgets飾8);fprint物9,'o/os',a);m=m+l;p=p+l;end.%依次取百、千、萬位的節(jié)點循環(huán);whilem<=l000000&m>=l00000&m<=node—numbern=ll+96*p+9*(50)+90*51+900*52+9000*53+^000*54+(m-99999)*55;fseek飾8,n,-l);a-fgets飾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鋁合金車輪鑄件結點的鑄造殘余應力文件wheel—stress,txt。(3)殘余應力凄W直的轉換ANSYS接受的應力文件格式如表3所示表lANSYS單元節(jié)點的應力文件格式!************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比較表2ProCAST計算得到的節(jié)點六個殘余應力分量與表3ANSYS接受的應力文件格式,可知兩文件格式相差很大。利用MATLAB編寫Exchange-Stress,m程序實現(xiàn)ProCAST計算的鑄造殘余應力到ANSYS軟件的數(shù)據轉換,轉換時將ProCAST計算的鑄造殘余應力值按50%比例縮小,作為機械加工和熱處理消減后的最終殘余應力,Exchange-Stress,m程序流程圖見圖3。1.讀取Read-Stress生成的4侖轂鑄造殘余應力文件;2.將輪轂鑄造殘余應力數(shù)值乘0.5,作為為機械加工殘余應力和熱處理后對鑄造殘余應力的消減;3.讀取Exchange-Element中輪轂鑄件節(jié)點信息、單元信息;4.判斷讀取數(shù)m是否小于等于單元總數(shù),若否,則結束計算;5.若m小于等于單元總數(shù),則取m單元的節(jié)點k;6.查找節(jié)點k的應力值;7.按照ANSYS應力文件格式保存節(jié)點k的應力值;8.讀取數(shù)m加l,執(zhí)行4-7步循環(huán),直到大于單元總lt,結束。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');轉換后得到ANSYS識別的應力文件istress.ist,將其作為初始應力值加載到轉換到ANSYS中的6019整體式鑄造鋁合金車輪有限元網格單元的節(jié)點上。3.未考慮殘余應力的鋁合金汽車車輪外加載荷的應力數(shù)值分析(1)對車輪施加徑向載荷利用ANSYS軟件在6019整體式鑄造鋁合金車輪中間凸臺面施加所有自由度約束,對輪輞軸向80°/。處施加徑向8000N的載荷。(2)對車輪施加軸向載荷同樣在6019整體式鑄造鋁合金車輪中間凸臺面施加所有自由度約束,對輪輻徑向50%處施加軸向8000N的載荷。(3)對車輪施加扭矩載荷約束同上,對輪輞正對兩側的軸向70%處施加垂直于軸向的切向載荷,大小均為8000N,方向相反。4考慮殘余應力的鋁合金汽車車輪外加載荷的應力數(shù)值分析(1)考慮殘余應力的徑向加載的車輪應力數(shù)值分析在6019整體式鑄造鋁合金車輪中間凸臺面施加所有自由度約束,對加載殘余應力后的6019整體式鑄造鋁合金車輪輪輞軸向80%處施加徑向8000N的載荷。(2)考慮殘余應力的軸向加載的車輪應力數(shù)值分析約束同上,對加載殘余應力后的6019整體式鑄造鋁合金車輪輪輻徑向50%處施加軸向8000N的載荷。(3)考慮殘余應力的對車輪施加扭矩載荷的車輪應力數(shù)值分析約束同上,對加載殘余應力后的6019整體式鑄造鋁合金車輪輪輞正對兩側的軸向70%處施加垂直于軸向的切向載荷,大小均為8000N,方向相反。<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表4對不同載荷下應力的極值進行了比較,對車輪僅施加徑向載荷時,車輪的等效應力最小值為0.OOMPa,最大應力值為119.OOMPa;考慮了殘余應力后施加同樣的徑向載荷,應力最小值從O.OOMPa升到1.28MPa,最大值從119.OOMPa降到117.OOMPa。對車4侖施加軸向載荷時,在考慮殘余應力的情況下,等效應力最小值有所上升,最大值有所下降;對車輪施加扭矩載荷時,在考慮殘余應力的情況下,等效應力最小值和最大值均有所上升。以上考慮殘余應力后各種載荷情況下等效應力發(fā)生了變化,這是由于殘余應力的方向與施加載荷產生的等效應力的方向可能相同,也可能相反,如果兩者方向相同,在節(jié)點處的應力疊加,從而增大該節(jié)點處的應力值,方向不一致時則相互抵消,減小了其等效應力。既說明,在考慮了殘余應力后外加載荷,車輪的應力無論是數(shù)值還是方向都發(fā)生了重新分配。因此,殘余應力作為影響外加載荷作用下車輪應力分布的重要因素是一個不可以忽略的量。這種考慮殘余應力的外加載荷的汽車車輪應力數(shù)值分析方法更貼近事實,正是由于殘余應力的方向與外加載荷產生的等效應力方向的異同導致了應力的疊加或者抵消關系,從而形成了汽車車輪在安裝后的初始動態(tài)應力狀態(tài)。權利要求1、一種考慮殘余應力的車輪外加載荷的應力數(shù)值分析方法,其特征在于,包括以下步驟1)計算殘余應力利用ProCAST的StressAnalysis應力計算模塊計算出整體式鑄造鋁合金汽車車輪的鑄造殘余應力;2)對車輪鑄件的有限元網格的節(jié)點信息、單元信息以及殘余應力數(shù)據進行轉換編寫程序,把在ProCAST中建立的車輪鑄件的有限元網格的節(jié)點信息、單元信息以及計算得到的車輪鑄件節(jié)點上的殘余應力分量轉換到ANSYS軟件中。3)考慮殘余應力的整體式鑄造鋁合金車輪外加載荷的應力數(shù)值分析利用ANSYS軟件在車輪中間凸臺面施加所有自由度的約束,對車輪分別施加徑向載荷、軸向載荷以及扭矩載荷,進行考慮殘余應力的整體式鑄造鋁合金車輪應力數(shù)值分析。2、根據權利要求l所述的一種考慮殘余應力的車輪外加載荷的應力數(shù)值分析方法,其特征在于,步驟2)進一步包括,.1)將單元信息啦文格式轉換,并由ProCAST讀入到ANSYS中;.2)將鑄件殘余應力和鑄型的應力數(shù)據信息分離;.3)將鑄造殘余應力到轉化為ANSYS軟件的能夠處理的數(shù)據,轉換時將ProCAST計算的鑄造殘余應力值按比例縮小,作為機械加工和熱處理消減后的最終殘余應力,并加載到有限元網格單元的節(jié)點上。全文摘要本發(fā)明公開了一種考慮殘余應力的車輪外加載荷的應力數(shù)值分析方法,包括以下步驟,1)計算殘余應力;2)對車輪鑄件的有限元網格的節(jié)點信息、單元信息以及殘余應力數(shù)據進行轉換;3)考慮殘余應力的整體式鑄造鋁合金車輪外加載荷的應力數(shù)值分析。本發(fā)明與現(xiàn)有的鋁合金車輪外加載荷的應力數(shù)值分析相比較,有如下優(yōu)點1)考慮了殘余應力對車輪外加載荷的影響,保證車輪優(yōu)化設計應用的可靠性。2)完善了鑄造承載構件優(yōu)化設計過程中不可忽略的殘余應力問題,這種應力數(shù)值分析方法適用于所有鑄造承載構件的結構分析優(yōu)化工作。文檔編號G06F17/50GK101419644SQ20081023431公開日2009年4月29日申請日期2008年11月11日優(yōu)先權日2008年11月11日發(fā)明者蘇大為,趙玉濤,剛陳申請人:江蘇大學
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