基于有限元的鋁合金車輪疲勞研究

郎凱華

摘 要：目前，在汽車工業(yè)發(fā)展中，輕量化發(fā)展已經(jīng)成為主要發(fā)展的趨勢和方向，為有效促進(jìn)輕量化發(fā)展，在汽車工業(yè)中采用輕質(zhì)材料鋁及相關(guān)合金等材料，能夠有效提高輕量化發(fā)展能力。在本次研究中，為更好促進(jìn)輕量化汽車工業(yè)發(fā)展，主要建立于Solidworks系統(tǒng)中，基于有限元的鋁合金車輪疲勞進(jìn)行研究，有效促進(jìn)汽車的輕質(zhì)化研究，提高和優(yōu)化車輪的輕質(zhì)化設(shè)計，有效提高車輪的抗疲勞性。

關(guān)鍵詞：輕量化發(fā)展;鋁合金車輪;結(jié)構(gòu)設(shè)計;有限元分析;強(qiáng)度分析;疲勞研究

一、引言

在汽車工業(yè)中，車輪是汽車的主要構(gòu)成部件之一，其作用不僅是作為協(xié)助汽車運(yùn)動，更是要支撐汽車本身所有的自重，其功能較為強(qiáng)大，作用較為突出和明顯。汽車車輪在支撐整個汽車自重的同時，還承載著行駛過程中汽車因減速、車輪摩擦力、風(fēng)力阻力以及路面不平、濕滑等引發(fā)各種不同的動態(tài)載荷，造成車輪轉(zhuǎn)動慣量增大，使車輪發(fā)生強(qiáng)度斷裂，引發(fā)疲勞失效[1]。因此，本文主要基于有限元的鋁合金車輪疲勞進(jìn)行研究，對汽車輪胎使用壽命和車輪疲勞進(jìn)行分析，從而有效提高車輪的使用壽命。

二、鋁合金車輪的發(fā)展及其現(xiàn)狀

目前，在汽車工業(yè)中，為提高汽車使用壽命和燃油經(jīng)濟(jì)性，就要有效實現(xiàn)汽車輕量化。在研究中表明，減輕汽車自重，能夠有效減輕汽車行駛的阻力、摩擦力，降低風(fēng)力阻力、路面材料對汽車行駛的影響，能夠有效改善汽車在行駛過程中的轉(zhuǎn)向能力、加速能力和制動能力等，避免噪聲和振動對汽車帶來的負(fù)面影響，使汽車的功率運(yùn)轉(zhuǎn)能力能夠得到有效提升。輕量化汽車的研發(fā)，能夠有效降低汽車的低油耗，減少汽車尾氣的排放，使環(huán)境污染得到有效緩解。為提高輕量化汽車生產(chǎn)能力，最直接的方式就是采用輕量化材料、優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)，例如在研發(fā)過程中，采用高強(qiáng)度鋼板，鋁合金等輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汽車材料，更改汽車的結(jié)構(gòu)、縮小相關(guān)零部件，降低汽車的重量。

在傳統(tǒng)的汽車制造業(yè)中，鋼制車輪一直占有主導(dǎo)地位，目前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，鋁合金車輪逐步替代鋼制汽車材料，同時鋁合金車輪不僅具有質(zhì)量輕等特點，其美觀性、節(jié)能性、耐腐蝕等特點也深受人們喜好。鋁合金車輪主要源于賽車愛好者為追求更快的車速，通過對車輛各零部件進(jìn)行輕量化的改裝，采用鋁合金等材料替代車輪而發(fā)展起來。我國鋁合金車輪工業(yè)相比于日本、德國等國家而言，起步較晚，但是其推廣能力和范圍較為廣大，被大多數(shù)汽車制造工業(yè)所采納，因此，輕量化汽車發(fā)展使歷史選擇的必然結(jié)果，在未來具有較高的應(yīng)用性。但是，介于車輪承載著整個汽車所有的自重，在行駛過程中受到的力較多，需要對其抗疲勞性進(jìn)行有效研究[2]。

三、鋁合金車輪疲勞研究

（一）車輪疲勞理論

疲勞是指材料、零件等在循環(huán)加載、運(yùn)轉(zhuǎn)下，某些節(jié)點產(chǎn)生局部損傷，導(dǎo)致發(fā)生永久性受損，從而出現(xiàn)裂紋，并完全斷裂的現(xiàn)象。車輪疲勞主要是指車輪在運(yùn)行、行駛過程中，受到來自外部、內(nèi)部的載荷較大，從而引發(fā)零部件疲勞現(xiàn)象。其中，內(nèi)部疲勞主要是指車輪零部件在生產(chǎn)過程中，剩余的應(yīng)力、壓力以及車輪螺栓的壓力等造成的一定載荷，在汽車行駛過程中不斷被放大，從而引發(fā)內(nèi)部疲勞。外部疲勞主要是指車輪在行駛過程中，長期與地面向接觸，在汽車自重、風(fēng)力阻力等影響因素下，造成零部件疲勞破壞，從而導(dǎo)致車輪受損，耐受能力下降等。在對鋁合金車輪進(jìn)行疲勞研究時，關(guān)注車輪發(fā)生內(nèi)部、外部載荷因素是非常重要的[3]。

（二）車輪靜應(yīng)力和變應(yīng)力分析

汽車車輪所受到的力主要分為兩種，一種是汽車載靜止條件下由于汽車自身重力而引起的靜應(yīng)力，一種是由于汽車載行駛過程中，受到來自各方面的動態(tài)荷載作用力。在分析車輪有限元的鋁合金車輪疲勞過程中，應(yīng)對這兩種力進(jìn)行分析和研究。其中，車輪靜應(yīng)力就是汽車的應(yīng)力數(shù)值在某一時刻、某一時間段、某一過程中內(nèi)的數(shù)值是固定不變的，當(dāng)種一常力，例如汽車的重力，作用于鋁合金材料上時，將承載面積假設(shè)為A，可認(rèn)為汽車自身重力W均勻地施加在A面積上，則A面積上承受的力，就是應(yīng)力，由于重力是一種靜力，因此該力也被稱為靜應(yīng)力，應(yīng)力大小可用公式σ=W/A表示。變應(yīng)力就是指動應(yīng)力，該應(yīng)力是由多種動態(tài)應(yīng)力組合而成，在對汽車應(yīng)力進(jìn)行檢測時，應(yīng)對這兩種應(yīng)力進(jìn)行檢測，動應(yīng)力檢測需要分析一系列動態(tài)數(shù)據(jù)。

（三）車輪彎曲疲勞分析

車輪彎曲疲勞試驗是一種常見的動態(tài)試驗，當(dāng)車輪在不斷運(yùn)行過程中，會產(chǎn)生一定的載荷，在分析汽車車輪疲勞程度時，不能忽略這些力對車輪帶來的影響，否者會導(dǎo)致檢測出現(xiàn)誤差，無法正確檢測車輪的疲勞壽命。汽車車輪疲勞壽命與其使用時間、應(yīng)力有關(guān)，可以根據(jù)累積損傷理論來進(jìn)行分析。在檢測過程中，車輪承受的應(yīng)力應(yīng)根據(jù)平均應(yīng)力、應(yīng)力梯度、表面粗糙度德國進(jìn)行分析，在分析、計算車輪彎曲疲勞度時，應(yīng)充分考慮以上因素。

（四）車輪有限元應(yīng)力分析

在分析車輪有限元應(yīng)力時，應(yīng)當(dāng)有效對車輪進(jìn)行彈性分析和塑性分析。在對車輪動態(tài)彎曲試驗過程中，需要分析車輪局部應(yīng)力的變化與彈性形變和塑性形變直接關(guān)系，通過采用線彈性分析方案，得到相關(guān)應(yīng)力曲線，并采用Abaqus/Standard等軟件進(jìn)行仿真實驗，有效對車輪有限元應(yīng)力進(jìn)行分析[4]。

四、總結(jié)

綜上所述，在研究有限元的鋁合金車輪疲勞程度過程中，應(yīng)重點分析汽車輪胎的車輪疲勞理論、對車輪靜應(yīng)力和變應(yīng)力、車輪彎曲疲勞度和車輪有限元應(yīng)力進(jìn)行分析，從而有效得出鋁合金車輪疲勞程度，并加以改善，提高輕量化汽車生產(chǎn)能力，提高汽車輪胎使用壽命和抗疲勞度。

參考文獻(xiàn)

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