基于HyperWorks的某重卡輪輞開裂分析及改進

李林，王登平，陳傳增，高松（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230022）

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基于HyperWorks的某重卡輪輞開裂分析及改進

李林，王登平，陳傳增，高松
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230022）

摘要：車輪是汽車的行駛系統(tǒng)中的重要部件，其主要功用是：支撐整車重量；導向、傳遞動力。文章針對某重卡驅(qū)動輪輪輞開裂開裂問題，對輪輞模型進行靜強度分析計算。文章以9.00×22.5規(guī)格輪輞為研究對象，采用CATIA三維建模軟件進行建模，運用Altair HyperWorks12.0有限元分析軟件進行試驗?zāi)M，得出分析結(jié)果。運用同樣的方法對改進方案進行分析，最終選擇出符合使用要求的產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：輪輞；CATIA；Altair HyperWorks12.0；有限元分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: 465.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-35-03

引言

車輪是汽車行駛系統(tǒng)中的重要部件，其可靠性與汽車行駛安全緊密相關(guān)。傳統(tǒng)的對車輪輪輞的設(shè)計檢測方法是通過試驗臺對車輪進行臺架試驗，成本高且耗時。而采用有限元分析能夠在新產(chǎn)品設(shè)計初期模擬輪輞的試驗，對輪輞的強度進行分析，成本較低且大大縮短設(shè)計周期。

1、概述

根據(jù)市場反饋，某6×2牽引車出現(xiàn)輪輞開裂問題，開裂部位為輪輻通風孔及車輪螺栓孔周圍，見圖1。經(jīng)調(diào)查該車使用的是輕量化輪輞且使用工況較好，不存才超載現(xiàn)象，排除磕碰及超載的可能。考慮到設(shè)計員可能因輕量化設(shè)計而造成產(chǎn)品強度不夠的可能，本文以該輪輞為研究對象，采用CATIA三維建模軟件進行建模，運用Altair HyperWorks12.0有限元分析軟件進行試驗?zāi)M，并與改進方案進行對比分析，找出最優(yōu)方案。

圖1　故障輪輞

2、車輪輪輞三維建模

對輪輞規(guī)格為9.00×22.5的輪輞進行分析，輪輞規(guī)格如表1所示。

表1　9.00×22.5輪輞參數(shù)

采用三維建模軟件CATIA根據(jù)輪輞總成圖紙尺寸進行建模，分別對輪輞和輪輻進行建模，然后將其裝配在一起。如圖2所示。

圖2　輪輞總成的三維實體模型

3、輪輞有限元分析

3.1導入三維模型和網(wǎng)格劃分

將輪輞總成的三維模型導入HyperMesh中，并進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中包括601741個單元。

圖3　網(wǎng)格劃分示意圖

3.2定義材料屬性

該輪輞材料為DP590，材料化學成分如表2所示，材料屬性如表3所示。

Intestinal intussusception is also an uncommon cause of abdominal pain and bowel obstruction in adults and it usually generates at a malignant lead point in this age group.

表2　材料化學成分

表3　材料的屬性

將表3中材料屬性賦予模型中，如下圖圖4所示。

圖4　輸入材料屬性

3.3施加約束條件及載荷

對實體的網(wǎng)格劃分完成之后，要對其施加約束條件和載荷。

為了盡可能與試驗要求相符，根據(jù)GB/T 5909《商用車車輛車輪性能要求和試驗方法》，對輪輞輪緣部分所有節(jié)點的所有自由度進行約束，從而模擬輪輞固定在試驗臺的實際情況。如下圖圖5綠色部分顯示。

為了簡化分析，運用HyperMesh中1D單元rigids類型將是個螺栓孔內(nèi)表面節(jié)點連接起來，模擬螺栓受力的情況。在下圖圖5紅色箭頭處施加徑向載荷。該輪輞額定載荷為3550kg，考慮到緊急制動等特殊工況，施加載荷為額定載荷的3倍。

圖5　施加約束條件及載荷

3.4輪輞應(yīng)力分布結(jié)果

將上述模型運用RADIOSS求解器進行仿真分析，獲得下圖圖6的應(yīng)力分布圖。從應(yīng)力分布圖中可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪輻通風孔位置以及輪輻安裝面螺栓孔位置。最大應(yīng)力為107MPa，小于材料的屈服極限450MPa?？紤]到車輪屬于高周期疲勞件，且疲勞極限大約是屈服極限的20％~30％，即疲勞極限約為90MPa~135MPa。該故障輪輞模型最大應(yīng)力為107MPa，大于疲勞極限的下限值，故在應(yīng)力集中的通風孔和螺栓孔位置易發(fā)生開裂。

圖6　應(yīng)力分布圖

4、優(yōu)化改進

由于故障車匹配的為輕量化輪輞，根據(jù)上述分析結(jié)果提出兩種方案。

A方案：在現(xiàn)有輪輞基礎(chǔ)上，將材料改為DP600（屈服極限為460MPa），將輪輻厚度增加至11.5mm；

B方案：更換另外一種輪輞，材料為BG380L（屈服極限375MPa），輪輻厚度為14mm。

4.1有限元分析

將AB方案輪輞進行實體建模，并進行有限元分析，得出應(yīng)力分布圖如圖7、圖8所示。

圖7　A案應(yīng)力分布

圖8　B方案應(yīng)力分布

4.2結(jié)果對比

從圖6、圖7中可以看出，A、B方案輪輞模型應(yīng)力集中點同原方案故障輪輞模型應(yīng)力集中點相同，都在輪輻通風孔位置以及輪輻安裝面螺栓孔位置。但A方案最大應(yīng)力為106.5MPa，B方案最大應(yīng)力為73.8MPa。將三種方案進行對比，如下表表4。

表4　結(jié)果對比

結(jié)果顯示，原方案及A方案輪輞都有可能產(chǎn)生開裂，選擇B方案輪輞更為合適，且B方案輪輞重量為38.5kg，符合輕量化標準。

5、結(jié)論

本文通過Altair HyperWorks12.0對車輪進行了靜強度有限元分析，得到了輪輞在模擬徑向載荷試驗下的應(yīng)力分布云圖。并通過與新的方案進行對比分析，最終選擇出既保證輕量化要求，又能滿足高可靠性要求的輪輞設(shè)計方案。

參考文獻

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[2]常亮主編.某型叉車輪輞開裂原因有限元分析.

[3]GB-T 5909-2009載貨汽車車輪性能要求和試驗方法[S].

Analysis And Improvement of A Heavy Truck Rim Cracking Based on HyperWorks

Li Lin, Wang Dengping, Chen Chuanzeng, Gao Song
( Anhui Jiang Huai Automobile Corp, Anhui Hefei 230022 )

Abstract:The wheel driving system is an important component of automobile, its main function is to support vehicle weight; orientation, power transmission. In this paper a heavy truck driving wheel rim cracking problem, analysis and calculation on static strength of rim model. In this paper, 9×22.5 specifications of rim as the research object, modeling using CATIA 3D modeling software, the simulation test using Altair finite element analysis software HyperWorks12.0 analysis. Use the same method to analyze, finally choice to meet the requirements of the use of products.

Keywords:Rim; CATIA; Altair HyperWorks12.0; Finite Element Analysis

中圖分類號：465.6文獻編碼：A

文章編號：1671-7988 （2016）05-35-03

作者簡介：李林，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。