本站原创词：轮毂；有限元浅析；优化
中图分类号：TM315文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）08-0026-02
1轮毂的和几何模型的建立
文中轮毂模型是Pro/E软件三维实体造型设计完成。在导入ANSYS[3]中对其做了的简化，中轮毂模型SOLID-45单元划分，精度等级为8级，为型号为T450-10的球墨铸铁，属性见表1，实体模型见图1，有限元模型见图2。简化的原则是在保证计算精度的下对与轮毂静强度作用承受载荷情况并不的部位做简化，以提高转换精度，如轮毂上细小的孔、狭窄的槽、小的倒圆和倒角等细微的特点。
2轮毂的约束及载荷
文中将轮毂与主轴法兰最外层节点自由约束，在轮毂与叶片连接面的中心建立质点，将叶片重力及力矩施加到质点上，将质点与轮毂和叶片连接面建立刚性约束。所考虑各力及大小见表2，施加载荷和约束后的模型见图3。
3轮毂极限强度浅析
在上述载荷及约束条件下，轮毂的等效应力图见图4。以图中轮毂与叶片连接区域和轮毂与主轴连接区域应力，但最大应力出现在轮毂与叶片连接螺栓处，最大等效应力σmax=93.488MPa，轮毂的许用应力为[σ]=18
1.82MPa>σmax，，轮毂设计强度要求。
4轮毂的模态浅析模态浅析用于确定轮毂结构的振动特性即结构的固有频率和振型，模态浅析的结果可对结构动力修改，它们是承受动载荷的结构在设计中要考虑的参数[4]。使其动力特性达到预定的要求。在ANSYS软件里选取block lanczos法提取模态，建立好的模态浅析模型，提取了五阶固有频率及振型，前两阶的振型如图5所示。
判断系统稳定，看系统的固有频率与外界激励的频率耦合而发生振动，对于该文章中850KW的风机而言，叶片额定转速是28r/min ，查文件可知道发电机转速范围1000-2000r/min，轮毂最有可能发生共振的一阶频率对应的转速是2.1r/min，很显著，2000r/min>28r/min>2.1r/min，，不会与它们发生共振。
5轮毂的拓扑优化设计
5.1 载荷及位移边界条件拓扑优化[5]是优化设计中的组成。文中轮毂的模型SOLID92划分，ANSYS程序只对单元类型编号为1的网路拓扑优化，考虑到结构的完整性，制造成本，加工工艺是铸造等特点，在PRO/E中模型的修改，用重新修改过的模型建立有限元浅析模型，静应力浅析校核计算。其优化的载荷和约束如图6。
5.2 拓扑优化结果将轮毂的分布优化参数，将轮毂的体积减少25%约束条件，将轮毂的结构静态刚度最大化函数来拓扑优化。施加载荷并定义优化理由，了拓扑优化的浅析结果，优化后节点伪密度分布云图如图7。图中蓝色区域表示单元伪密度小于0.500732的区域，该区域密度较小，优化后可被删除。考虑到结构的完整性，制造成本，加工工艺和铸造等特点，保留单元伪密度在0.5—1之间的单元，并在Pro/E中重建模型，优化后的轮毂结构图，见图8。
6验证模型的正确性
用重新修改过的模型建立有限元浅析模型，然后静应力浅析校核计算，如图9结果，由结果，优化拓扑修改后的轮毂的静应力强度最大σmax=51.399MPa，轮毂所用的为铸件，力学知识可知轮毂的许用应力为[σ]=181.82MPa>σmax，即σmax<[σ]。从而经过拓扑优化开发的轮毂有足够的强度，采用拓扑优化后，轮毂的体积减少了8.32%，效果明显，有一定的经济效益，可以进行工程应用实践。如表3。
7
① 850KW轮毂的运用条件，ANSYS的拓扑优化模块拓扑优化浅析，对浅析的结果的探讨，使轮毂的体积减少了8.32%，节约了。
②轮毂低阶固有频率均低于叶片和发电机频率，此时模态浅析结果，是不会与它们发生共振结果的。
③网格划分软件ANSYS对轮毂网格划分的有限元模型，了轮毂极限强度浅析，并计算出强度极限载荷，计算浅析，在极限条件下，承受最大载荷而不会失效。
④某企业所的轮毂图纸，对模型结构简化，该几何模型能有限元浅析要求，经与图纸反复核对，在Pro/E下建立了850KW轮毂三维模型。
文献：
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二代龙震工作室.Pro/ENGINEER Wildfire
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