鋁合金車輪沖擊試驗有限元分析

王建軍路長國

1、江蘇省南通技師學(xué)院　2、江蘇省南通職業(yè)大學(xué)

鋁合金車輪沖擊試驗有限元分析

王建軍1路長國2

1、江蘇省南通技師學(xué)院2、江蘇省南通職業(yè)大學(xué)

本文主要討論了鋁合金車輪沖擊試驗有限元分析的相關(guān)內(nèi)容，通過對車輪進(jìn)行試驗，分析有限元分析的可靠性。先討論了車輪結(jié)構(gòu)有限元分析的相關(guān)內(nèi)容，包括車輪結(jié)構(gòu)靜態(tài)的有限元分析、基于有限元分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計等，并對車輪彎曲疲勞試驗有限元分析的具體內(nèi)容進(jìn)行討論。

鋁合金車輪；沖擊試驗，有限元分析

隨著人們生活水平不斷提高，車作為一種重要的代步工具而走入平常百姓家庭，并在提高居民生活質(zhì)量中發(fā)揮著重要作用。車輪是車輛行駛系統(tǒng)中的重要組成部分，其設(shè)計性能對車輛運行產(chǎn)生重要影響。為保證車輪強度、抗疲勞指數(shù)等滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需要對鋁合金車輪進(jìn)行相應(yīng)的沖擊試驗，以及時收集鋁合金車輪的基本參數(shù)。在傳統(tǒng)車輪設(shè)計中，主要依靠設(shè)計人員自身經(jīng)驗展開設(shè)計，其中存在盲目性大、設(shè)計周期長等問題，需要進(jìn)一步優(yōu)化試驗內(nèi)容。本文將以此為背景，對鋁合金車輪沖擊試驗有限元分析的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行討論。

1　車輪結(jié)構(gòu)有限元分析基本內(nèi)容

1.1車輪結(jié)構(gòu)靜態(tài)有限元分析

車輪是車輛行駛系統(tǒng)中的重要組成部分，其力學(xué)性能對車輛行駛安全產(chǎn)生重要影響，一般在鋁合金車輪功能測試中，其試驗內(nèi)容主要包括臺架測試、整車測試等多個內(nèi)容。以某車輪為例，在三方面的性能測試試驗中，分別對其進(jìn)行靜態(tài)線彈性有限元分析。考慮到鋁合金車輪通常以輻條式結(jié)構(gòu)存在，其各個部位所呈現(xiàn)的曲面內(nèi)容具有復(fù)雜性。因此若采用傳統(tǒng)的六面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行分析，則其難度較大；為保證其檢測結(jié)果的科學(xué)性，可以通過十節(jié)點四面單元進(jìn)行離散。在試驗過程中，其靜態(tài)彈性有限元分析時相關(guān)材料的性能如表1所示。

表1　材料屬性統(tǒng)計表

而一般情況下，為進(jìn)一步認(rèn)識車輛結(jié)構(gòu)靜態(tài)有限元分析的相關(guān)內(nèi)容，除了要確認(rèn)車輪相關(guān)材料的基本屬性外，還需要認(rèn)識到徑向載荷疲勞試驗的基本參數(shù)，這是需要得到相關(guān)工作人員重視的。

1.2彎曲疲勞試驗有限元分析

根據(jù)目前所認(rèn)知的車輪彎曲疲勞試驗的基本原理，在開展彎曲疲勞試驗有限元分析過程中，需要對其邊界條件進(jìn)行測試，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為：①考慮到車輪內(nèi)輪邊緣部分在測試過程中是被固定的，因此需要對其邊緣施加全約束力，使其自由度被約束；②車輪承受的彎矩主要通過安裝盤施加，因此在分析過程中需要在結(jié)構(gòu)上設(shè)置安裝盤。

同時，為保證模擬試驗的科學(xué)性，載荷通過數(shù)據(jù)面施加荷載時，需要正確認(rèn)識到載荷對沖擊效果的影響，需要按照正弦函數(shù)分布的相關(guān)內(nèi)容確定科學(xué)的載荷數(shù)值，其計算公式為：

在上述公式中，q—載荷數(shù)值；M—試驗彎矩荷載；r—加載軸半徑，可取標(biāo)準(zhǔn)值為50mm；b—寬度為20mm圓弧面，取值為20mm；L—加載軸長度與安裝盤厚度之間的和。

2　基于有限元分析的鋁合金車輪沖擊試驗

2.1有限元原理的具體應(yīng)用分析

2.1.1有限元原理簡介

有限元原理于20世紀(jì)40年代被提出，用來計算扭轉(zhuǎn)問題的近似數(shù)值解。經(jīng)過長期發(fā)展，有限元分析法的應(yīng)用領(lǐng)域被進(jìn)一步拓寬，通過建立有限元方程式，重視非協(xié)調(diào)單元法及雜交單元法的運用，以解決現(xiàn)實問題。

2.1.2有限元分析應(yīng)用要點

在應(yīng)用有限元分析方法中，需要重視以下幾方面內(nèi)容：①從應(yīng)用過程中可知，在有限元分析中的單元劃分中，所分析的單元越多，所得到的結(jié)果精度則越高。在振型、固有頻率計算中，需要正確認(rèn)識到網(wǎng)絡(luò)劃分的特點，適當(dāng)提高網(wǎng)格寬度，以降低操作難度。②為進(jìn)一步簡化單元數(shù)目，需要在原有單元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，充分認(rèn)識到結(jié)構(gòu)特點條件下的網(wǎng)格劃分要求。對于邊界較為曲折、應(yīng)力條件集中的位置，要適當(dāng)減少單元格，確保在計算過程中能得到精準(zhǔn)單元格數(shù)據(jù)。

2.2彎曲試驗

2.2.1系數(shù)分析

彎曲試驗的關(guān)鍵，就是使車輪承受一個旋轉(zhuǎn)彎矩，模擬車輪在行駛過程中所承受的彎矩負(fù)荷?？紤]到本次研究中車輪的主要材料為鋁合金，因此在試驗中需要以SAEJ328標(biāo)準(zhǔn)展開分析，根據(jù)樣輪大小與安全系數(shù)，確定循環(huán)試驗頻繁次數(shù)，其具體計算公式為：

M=W（R×μ+d）×S

在上述公式中，M代表試驗彎矩；W代表車輪所承受的荷載量，其單位為N；R代表最大裝胎的半徑（靜荷載半徑），其單位為mm；μ代表地面與車輪之間的摩擦系數(shù)，一般情況下μ取值為7.0；d代表車輪偏距絕對值，其單位為mm；S代表安全系數(shù)，主要受到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)影響。

2.2.2試驗評判標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)出現(xiàn)以下現(xiàn)象時，則可以判斷試驗終結(jié)或失?。孩佼?dāng)載荷達(dá)到試驗標(biāo)準(zhǔn)時，車輪偏差大于20%；②在最小循環(huán)測試后，車輪任何部位出現(xiàn)損傷；③在達(dá)到最小循環(huán)次數(shù)前，加載點偏移量大于初始加載偏移量的20%；④在達(dá)到最小循環(huán)次數(shù)時，一個或多個螺栓預(yù)緊力下降到原始數(shù)據(jù)的60%。

2.3荷載條件下的有限元分析

在車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗中，車輪可能受到三方面作用力的影響，主要表現(xiàn)為：①車輪主要依靠螺栓固定，因此在受力分析中，車輪的PCD孔周圍會受到螺栓預(yù)緊力的影響；②旋轉(zhuǎn)是試驗的主要方式，且施加在軸上力的方向、大小是不變的，因此在試驗過程中會受到離心力影響；③彎矩作用影響車輪的疲勞壽命，也是需要重視的影響因素。

采用I-DEAS軟件完成有限元分析中模型建立、計算等工作。

在試驗分析中，需要根據(jù)車輪與加載軸的實例模型，真實還原彎曲試驗條件，通過在安裝盤處施加力臂（力臂直徑與安裝盤直徑相等），取力臂直徑為1000mm，現(xiàn)在力臂前段施加載荷，考慮到螺栓孔位置與輻條位置分布不均勻，因此在車輪旋轉(zhuǎn)一周后，其各個位置所產(chǎn)生的應(yīng)力也存在明顯差異。為進(jìn)一步確認(rèn)最大應(yīng)力值，需要根據(jù)產(chǎn)品輻條與窗口數(shù)量將其劃分為兩個方向，并開展不同方向的載荷計算，確定最大應(yīng)力值。

2.4結(jié)果分析

分別采用額定彎曲疲勞試驗與超載荷彎曲疲勞試驗開展有限元分析，其相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2　彎曲試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

3　沖擊試驗

3.1車輪沖擊試驗?zāi)B(tài)分析

在車輪沖擊試驗?zāi)B(tài)分析中，主要根據(jù)當(dāng)前工程振動處理中最長用的兩種模態(tài)分析方法，其基本理論為：

mx1+cx2+kx3=f（t）

在上述公式中，m代表質(zhì)量，c代表粘性阻尼，k代表剛度矩陣；x1代表系統(tǒng)加速度，x2代表系統(tǒng)速度，x3代表位移向量等；f（t）代表外作用力。

3.2建立模型

車輪沖擊試驗的關(guān)鍵是在裝有輪胎的車輪上施加沖擊力，進(jìn)而模擬車輛在行駛過程中所承受的路面沖擊。在對模型施加沖擊條件時，需要按照相應(yīng)的試驗裝置開展試驗，固定車輪5個螺栓孔，并控制其自由度，固定安裝面與安裝盤。在本次研究中，采用13°模擬沖擊試驗，對試驗進(jìn)行分析。

考慮到?jīng)_頭初始位置與其他初始條件設(shè)置的相關(guān)內(nèi)容，在有限元分析中，為進(jìn)一步縮短分析時間，可以將自由下落沖頭的初始位置直接定義到與輪胎相接觸的時刻。此時，沖頭與輪胎間設(shè)置10ms間隙。以沖頭與輪胎接觸前10ms為有限元分析的起始時刻，設(shè)定壓力從0MPa逐漸增長到0.2MPa（增長時間為10ms）。由于沖擊速度較低，需要考慮重立場因素的影響。

3.3試驗結(jié)果統(tǒng)計

在獲得13°模擬沖擊試驗?zāi)Ｐ秃?，采用LS-DYNA開展有限元計算求解。

通過試驗確定各車輪輪輻上的變幅情況，在開展仿真結(jié)果評價中，主要依靠在輻板表面節(jié)點間設(shè)置梁單元確定應(yīng)變值。考慮到在有限元模型中難以直接確定應(yīng)變的實際數(shù)值，因此，結(jié)果分析中需要確定應(yīng)變片的定義數(shù)據(jù)與同向梁單元模擬應(yīng)變片，并對其進(jìn)行梁單元設(shè)置。

3.4結(jié)果分析

對車輪進(jìn)行沖擊試驗有限元分析，沖擊試驗的相關(guān)數(shù)值如表3所示。

表3　沖擊試驗相關(guān)數(shù)值統(tǒng)計表

根據(jù)表3的相關(guān)內(nèi)容開展沖擊試驗有限元分析，獲得最大應(yīng)力值，其相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4　沖擊試驗結(jié)果最大應(yīng)力

4　結(jié)束語

本文主要討論了鋁合金車輪沖擊試驗有限元分析的相關(guān)內(nèi)容，并通過分別建立彎曲疲勞試驗?zāi)Ｐ团c沖擊試驗?zāi)Ｐ?，對不同狀態(tài)下鋁合金車輪的載荷等情況進(jìn)行分析，得出結(jié)論：①為保證分析結(jié)果的實用性，需要在正確認(rèn)識線性彈性有限元分析理論的基礎(chǔ)上，正確開展車輪結(jié)構(gòu)檢測，并控制車輪材料整體強度。②在當(dāng)前有限元分析中，存在多種先進(jìn)技術(shù)，能有效滿足其質(zhì)量控制的需求，具有良好的應(yīng)用價值。③在分析中需要正確認(rèn)識到13°沖擊試驗下的動態(tài)與靜態(tài)效果，進(jìn)一步提高有限元分析結(jié)果。

綜上所示，有限元分析在鋁合金車輪沖擊試驗中的效果明顯，能為未來鋁合金車輪制造提供理論基礎(chǔ)，應(yīng)該在更大范圍內(nèi)進(jìn)行推廣。

［1］謝暴，周麗萍，劉艷華.汽車鋁合金車輪的有限元分析［J］.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009，8（03）：15-18.

［2］閆勝昝，童水光，朱訓(xùn)明.鋁合金車輪沖擊試驗有限元分析［J］.水利電力機械，2007（08）：24-25.

［3］王霄鋒.基于動態(tài)彎曲疲勞試驗的汽車車輪有限元分析［J］.拖拉機與農(nóng)用運輸車，2007（01）：45-47.

王建軍，1964年出生，江蘇南通人，高級講師，研究方向：技工院校教學(xué)管理，技工院校機電類專業(yè)教學(xué)。