基于Hyperworks摩托車輪轂90度動態(tài)沖擊仿真與測試對標(biāo)的研究與應(yīng)用

梁玉紅，王志方，王圣梁

（萬豐奧特控股集團(tuán)有限公司，浙江 新昌 312580）

仿真和測試是工程師發(fā)現(xiàn)、了解并解決產(chǎn)品工程質(zhì)量問題的2種有效方法，隨著計(jì)算機(jī)硬件及算法的發(fā)展，CAE軟件在滿足工程設(shè)計(jì)需要的同時(shí)，也在不斷地走向成熟，越來越多的產(chǎn)品測試被仿真分析取代，因此，仿真模型及算法較之前更需要真實(shí)的測試數(shù)據(jù)作為依托，同時(shí)，有效準(zhǔn)確的測試變得更加重要，而CAE仿真又正是幫助實(shí)現(xiàn)規(guī)劃有效測試的最佳途徑[2]。

1 CAE仿真與測試的協(xié)同

CAE的核心思想是以復(fù)雜工程問題為背景，建立經(jīng)過簡化、離散的分析模型，借助計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬獲得相應(yīng)物理行為的解答，通過真實(shí)或縮減的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行測量，可先期獲得支撐CAE模型的相關(guān)參數(shù)，并可依據(jù)分析-測試相關(guān)性技術(shù)驗(yàn)證CAE模型的準(zhǔn)確有效性并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，通用比較彼此之間的相似性和差異性，尋找可能造成誤差的位置和區(qū)域，從而可以從網(wǎng)格、幾何、連接和屬性等方面修正分析模型中的不確定因素

CAE分析 CAT測試

圖1 CAE仿真與CAT測試間的關(guān)系

2 有限元計(jì)算模型建立

2.1 模型簡介

摩托車鋁合金輪轂的沖擊試驗(yàn)有30°和90°兩種，本研究以90°沖擊試驗(yàn)作為沖擊模型，試驗(yàn)室實(shí)際試驗(yàn)及示意圖如圖2所示，該模型由輪轂、輪胎和兩個(gè)沖錘組成，主錘和副錘通過彈簧連接，輪轂中心線平行于地面，輪轂氣門孔正對朝上，輪轂兩側(cè)中心孔使用專用夾具進(jìn)行完全約束，沖錘在一定高度下自由落體，試驗(yàn)后看輪轂是否出現(xiàn)貫穿性裂紋。

圖2 試驗(yàn)室試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.2 模型設(shè)定及材料定義

通過UG軟件建立鋁合金輪轂?zāi)Ｐ?，將三維模型導(dǎo)入Hyperworks軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，為確保單元質(zhì)量，先劃分面網(wǎng)格，再由面網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。先劃分正三角形面網(wǎng)格單元，面網(wǎng)格單元質(zhì)量得到保證后，生成四面體網(wǎng)格單元。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品幾何尺寸，確定輪轂?zāi)Ｐ瓦x擇單元邊長為 3mm 的正三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，半圓柱壓塊因結(jié)構(gòu)簡單，且為非研究對象，選擇20mm 的四邊形網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分。

對一些可能發(fā)生局部應(yīng)力較大的細(xì)節(jié)采用更小尺寸三角單元進(jìn)行離散逼近，充分發(fā)揮三角單元適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，以優(yōu)化網(wǎng)格的連接質(zhì)量。網(wǎng)格劃分完成以后，單元個(gè)數(shù)為215911個(gè)，節(jié)點(diǎn)為61531個(gè)。單元質(zhì)量檢查規(guī)范見表1。

表1 網(wǎng)格質(zhì)量控制

根據(jù)產(chǎn)品拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置材料參數(shù)，材料參數(shù)如表2所示。

表2 輪轂材料屬性

2.3 邊界條件

(1)約束。約束輪轂中心孔全部自由度，約束沖錘除沖擊方向外的所有自由度，保證沖錘只在沖擊方向運(yùn)動。

（2）載荷。重錘實(shí)際高度為輪胎上方：150mm處；根據(jù)自由落體運(yùn)動，沖錘整體接觸到輪胎時(shí)刻初速度V=，為1714.64mm/s，主錘重量285kg,副錘重量40kg,主錘和副錘之間采用1D spring單元模擬彈簧，剛度K為600N/mm。沖錘接觸輪胎后的速度變化如圖3所示。

圖3 沖錘速度變化

2.4 輪胎建模

輪胎主要由橡膠材料和鋼絲簾線構(gòu)成。其中鋼絲簾線本構(gòu)模型采用線彈性模型，橡膠材料是典型的粘彈性材料，本系統(tǒng)采用Yeoh模型作為橡膠材料本構(gòu)模型，其應(yīng)變能密度函數(shù)為W=C10(I1-3) +C20(I1-3)2+C30(I1-3)3,式中，I1為第一階應(yīng)變不變量，C10、C20和C30為模型參數(shù)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得[3]。

試驗(yàn)要求為輪胎胎壓288kPa,本次分析模型通過Radioss模塊下的airbag氣囊模擬胎壓[4]，胎壓模塊界面如圖4所示。

圖4 胎壓模塊用戶界面

3 應(yīng)力實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性，對鋁合金車輪進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變試驗(yàn)。試驗(yàn)沖擊載荷為325kg，沖擊錘下落高度為150mm，輪胎胎壓為288kPa，將測試車輪貼上應(yīng)變片后，應(yīng)力測試點(diǎn)位于氣門孔正對輪輞處，將測試車輪貼上應(yīng)變片后，與動態(tài)應(yīng)變儀連接，經(jīng)預(yù)熱、彈性模量等參數(shù)設(shè)置、平衡清零后進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖5所示為178.6MPa。

在沖擊試驗(yàn)過程中，沖擊錘會首先接觸橡膠輪胎并產(chǎn)生彈跳，每次彈跳產(chǎn)生的應(yīng)力突變會越來越小，直至趨于一定值，從圖5中可以看出沖擊試驗(yàn)過程的車輪結(jié)構(gòu)存在明顯的多次應(yīng)力突變，與實(shí)際應(yīng)力變化過程一致。

圖5 沖擊疲勞應(yīng)力曲線

4 計(jì)算結(jié)果分析

采用Radioss求解器進(jìn)行計(jì)算，對求解后的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行分析，應(yīng)力結(jié)果如圖6所示，應(yīng)變結(jié)果如圖7所示。

由云圖可以看出，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變都在氣門孔正對的輪輞處，仿真所得應(yīng)力、應(yīng)變值最大位置與實(shí)驗(yàn)室果相同，由表3 可以看出，仿真數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值接近，證明該仿真驗(yàn)證有效。

圖6 應(yīng)力云圖

圖7 應(yīng)變云圖

表3 結(jié)果對比

5 結(jié)論

結(jié)果表明，在對應(yīng)的客戶試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)下，非線性動態(tài)沖擊試驗(yàn)仿真分析中應(yīng)力和應(yīng)變與實(shí)際試驗(yàn)的位置相同，仿真試驗(yàn)的應(yīng)力、應(yīng)變曲線和試驗(yàn)基本一致，均在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，通過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，證明該方法科學(xué)、有效，可以推廣至工程化應(yīng)用。該材料非線性的沖擊試驗(yàn)仿真探索，仿真結(jié)果不需要經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)公式的修正，可直接作為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行更為直觀的比較驗(yàn)證，能夠更加真實(shí)、準(zhǔn)確地模擬沖擊試驗(yàn)，仿真結(jié)果簡單直接，極大地提高了沖擊試驗(yàn)的分析準(zhǔn)確率。

本次分析模型輪轂和輪胎建模均以實(shí)際試驗(yàn)參數(shù)，盡可能的與實(shí)際試驗(yàn)貼近，通過該仿真試驗(yàn)，為沖擊試驗(yàn)提供了一種新的研究方法，提高了仿真分析的準(zhǔn)確性，也驗(yàn)證了應(yīng)力測試的方法可行性，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)提供了技術(shù)驗(yàn)證和支撐，也可以準(zhǔn)確的分析出質(zhì)量缺陷產(chǎn)生的原因，并針對質(zhì)量缺陷提出了改善方案，對產(chǎn)品的生產(chǎn)和試模提供了技術(shù)指導(dǎo)，減少了模具開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造的陳本，為產(chǎn)品量產(chǎn)質(zhì)量的提高提供了一種重要的途徑，為公司的經(jīng)濟(jì)效益的提升起到了重大作用。