基于有限元的鋁合金車輪疲勞分析

陳 毅，侯存滿，趙海新

(承德石油高等?？茖W校 汽車工程系,河北 承德 067000)

車輪是汽車的重要旋轉類支撐零部件，不僅支撐著車輛本身的全部重量，而且還要受到汽車在行駛中因減速、轉彎、風阻和路面不平等來自多個方向的各種動態(tài)載荷。車輪是簧下高速旋轉質量元件，其旋轉時質量增加所產(chǎn)生的耗能相當于非旋轉件的1.2～1.5倍，同時車輪轉動慣量增大也嚴重的影響整車的平順性和加速性能[1]。汽車車輪的失效形式主要有強度斷裂和疲勞失效，其中由于疲勞斷裂引起的車輪破壞占80%以上。利用集CAD/CAE/CAM功能于一體的設計軟件Solidworks建立了鋁合金車輪的三維模型，并對車輪進行彎曲疲勞分析和徑向疲勞分析進行仿真分析。

1 車輪疲勞理論

在交變載荷的作用下，即使零件所承受的應力低于材料的屈服應力，但經(jīng)過長時間的工作周期后產(chǎn)生裂紋或斷裂的現(xiàn)象稱為金屬零件的疲勞[2]。車輪受到的載荷可以分為內部載荷和外部載荷。內部載荷有鑄造生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的殘余應力、充氣壓力和車輪螺栓預緊力等。外部載荷有行駛中地面激勵的隨機載荷、車輛重力作用于車輪的徑向力以及彎曲力矩等。車輪長期運轉過程中，輪輻和輪輞在內外部載荷的交替作用下容易出現(xiàn)疲勞破壞。利用應力壽命疲勞分析方法對車輪進行疲勞分析，并利用適用于脆性材料的Goodman應力修正方法對仿真結果進行修正。

2 車輪靜應力分析

汽車車輪的受力狀態(tài)有兩種情況：1)汽車在靜止狀態(tài)下受到的重力靜應力作用；2)汽車在行駛過程中受到動態(tài)循環(huán)載荷作用[3]。在鋁合金車輪三維模型基礎上建立其有限元模型，在分析過程中可以施加各種載荷和約束的邊界條件，為了提高分析的準確性和高效性，將車輪輪輞表面進行分割以便于加載約束和載荷，并去除較小的圓角等[4]。鋁合金車輪輪轂直徑是16寸，材料牌號選用A356，其彈性模量E=72 400 N/mm2，泊松比μ=0.33，密度ρ=2.7 g/cm3，屈服強度σs=150 MPa，抗拉強度σb=256 MPa。

由于該車輪結構對稱，取1/5圓周72度作為研究對象，即輪輻中心線到最近的窗口中心線，那么設輪輻中心線為0度的話，窗口中心線就為36度。在車輛重力徑向載荷的作用下，在不忽略充氣壓力對輪輞的作用情況下，車輛在0度和36度時的應力分布圖見圖1所示。

0度時的應力分布圖顯示車輪最大應力為68.144 MPa，最大應力出現(xiàn)在0度載荷所對的輪輻上，并且靠近螺栓孔處。36度時的應力分布圖顯示車輪最大應力為60.711 MPa，最大應力出現(xiàn)在36度載荷所對窗口的兩側輪輻上，并且靠近輪轂處。除了承載輪輻其余輪輻受力也較大，輪輻和輪輞相聯(lián)接的地方應力也較大。0度載荷時最大應力顯然大于36度時的最大應力，說明車輪在0度載荷時的承載能力弱于36度時的承載能力，但是均遠小于車輪材料的屈服強度極限，說明車輪在靜應力載荷下安全系數(shù)較高。

3 車輪彎曲疲勞分析

根據(jù)國家標準GB/T 5334-2005對乘用車車輪的性能要求和試驗方法及標準的要求，輕合金材料車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗循環(huán)次數(shù)不少于105次，動態(tài)徑向疲勞試驗循環(huán)次數(shù)不少于5×105次。在進行鋁合金車輪的彎曲疲勞分析有限元模型時，需要給車輪施加一個彎矩。根據(jù)試驗要求有限元模型設計成車輪和加載臂兩個部分，車輪和加載臂之間通過車輪螺栓聯(lián)接。考慮到車輪的實際使用要求并結合試驗要求，加載臂的長度選取為500 mm。車輪和加載臂的有限元模型見圖2所示。

圖3是車輪在動態(tài)循環(huán)彎曲載荷下的生命圖解和損壞圖解。生命圖解顯示車輪生命周期最小的節(jié)點壽命值是6.068×105次。損壞因子也被稱為利用率，代表結構消耗壽命的比率，由損壞圖解可以看出最大損壞百分比是1.648%。由此可以看出車輪的壽命值遠高于標準值，車輪設計滿足彎曲疲勞安全的要求，同時說明該車輪輪輻厚度較大可以進一步進行車輪輕量化設計。

4 車輪徑向疲勞分析

在車輛的動態(tài)徑向疲勞試驗中，需要給車輪作用一個大小恒定的徑向載荷，但是作用在車輪上的位置是隨著車輪的轉動時刻變化著。徑向力在某一方向上靜應力較大的區(qū)域就是動態(tài)徑向疲勞試驗中應力幅值較大的地方[5]。通過圖1對車輪的靜應力分析的結果，說明在0度方向載荷時的最大應力要大于36度時的最大應力。所以在徑向疲勞分析中選擇0度載荷方向作為研究對象，換言之如果0度載荷方向滿足設計要求，其余方向安全系數(shù)則會更高。

圖4是徑向疲勞分析結果，生命圖解表明車輪生命周期總數(shù)最少1.001×108次，可以近似認為壽命趨于無限，由損壞圖解可以看出最大損壞百分比是0.5005%。結果表明車輪的徑向疲勞壽命要遠高于徑向疲勞試驗標準的1×105，表明車輪的安全系數(shù)較高滿足性能要求。

5 結論

在車輪靜應力分析的基礎上，對車輪的彎曲疲勞壽命和徑向疲勞壽命進行了仿真預測，結果表明無論是彎曲疲勞分析還是徑向疲勞分析車輪的壽命要遠高于國家標準的試驗要求和性能使用?？梢缘贸鲕囕喌膹较蚱趬勖诌h高于彎曲疲勞壽命，所以在車輪長期運轉時彎曲疲勞給車輪帶來的疲勞失效損害更大。在車輪靜應力分析中，0度載荷方向的最大應力大于36度時的最大應力，遠小于材料的屈服極限。該車輪除輪胎座圈、輪輻靠近輪轂處和輪輻與輪輞的聯(lián)結處外，其余部位疲勞壽命值富裕過多，可以繼續(xù)進行優(yōu)化設計，以提高汽車的燃油經(jīng)濟性和安全性。

參考文獻：

[1] 王維平. 鋼制車輪與鋁合金車輪對比仿真分析與優(yōu)化設計[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學,2016.

[2] 楊磊. 鎂合金汽車輪轂的輕量化設計及有限元分析[D].青島：山東科技大學,2011.

[3] 王燕平. 基于疲勞強度的鋁合金車輪結構設計及分析[D].廣州：華南理工大學,2012.

[4] 陳毅，杜蔚華，張全逾，等. 基于CATIA的路面養(yǎng)護車副車架設計[J]. 承德石油高等?？茖W校學報，2015，17(1)：52-57.

[5] 周渝慶. 鎂合金車輪疲勞壽命預測與優(yōu)化設計[D].重慶：重慶大學,2008.