鋁合金車輪有限元仿真分析研究

朱文婧 王永林 章孟軍

摘要：車輪優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析方法周期長(zhǎng)、費(fèi)用成本高，本文采用有限元分析方法，跟據(jù)車輪實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)車輪的彎曲試驗(yàn)過(guò)程構(gòu)建物理模型，求解出載荷參數(shù)，通過(guò)有限元模塊進(jìn)行仿真分析，根據(jù)應(yīng)力云圖，對(duì)薄弱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明有限元仿真分析在車輪優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中的有效性和可靠性。

Abstract： In the process of wheel design optimization， the traditional experimental analysis method is characteristic of cycle length and high cost. In this paper， according to the actual running state of the wheel， the physical model of the wheel bending fatigue test process is established by using the finite element analysis， and with the calculated load parameters be applied， then carries on the simulation analysis through the finite element module， optimizes the weak structure according to the stress nephogram. The analysis of the experimental results show that the finite element analysis is effective and reliable in the process of wheel design optimization.

關(guān)鍵詞：有限元;彎曲疲勞;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Key words： finite element;bending fatigue;structure optimization

中圖分類號(hào)：TP391.7? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0055-02

0? 引言

隨著碳達(dá)峰時(shí)代的到來(lái)，節(jié)能減排對(duì)汽車工業(yè)的要求，越來(lái)越嚴(yán)格，整車輕量化設(shè)計(jì)已成為汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中的重中之重。鋁合金車輪作為整車的功能件和強(qiáng)度件，在滿足機(jī)械性能的前提下，快速的質(zhì)量?jī)?yōu)化已成為各大企業(yè)和眾多學(xué)者研究的重要課題。

鋁合金車輪的輕量化研究，就是對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。車輪在行駛過(guò)程中，承受來(lái)自不同方面的不規(guī)則變化作用力;同時(shí)，由于路況的多樣性，增大了其復(fù)雜力學(xué)特征的研究難度。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和有限元分析軟件不斷發(fā)展成熟，有限元分析成為鋁合金車輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要手段。

采用有限元分析方法對(duì)鋁合金車輪的徑向、彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行仿真，不僅可以有效的降低實(shí)驗(yàn)成本，而且可以大大縮短車輪優(yōu)化開(kāi)發(fā)周期。通過(guò)合理數(shù)學(xué)模型建立，將參數(shù)導(dǎo)入有限元分析軟件，靶向的模擬出車輪結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，從而對(duì)不合理設(shè)計(jì)以及冗余設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化開(kāi)發(fā)路線實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)的目的，車輪優(yōu)化設(shè)計(jì)路線如圖1所示。本文以車輪的彎曲疲勞性能模擬為例進(jìn)行分析研究。

1? 模型建立

本文采用19X8.0J規(guī)格產(chǎn)品進(jìn)行建模，19代表輪輞直徑，8.0J為輪輞寬度，產(chǎn)品靜負(fù)荷半徑為342mm，偏距45mm，根據(jù)以上關(guān)鍵數(shù)據(jù)和造型概念，通過(guò)UG三維軟件進(jìn)行參數(shù)建模，最終構(gòu)建三維模型。

2? 建立力學(xué)模型

參照GBT 5334-2005 《乘用車車輪性能要求和試驗(yàn)方法》，構(gòu)建固定車輪的力學(xué)模型，即對(duì)車輪其施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)的彎矩。

車輛行駛過(guò)程中，假設(shè)車輪相對(duì)于傳動(dòng)軸位置靜止，車輪在路面和螺栓約束下，受到傳動(dòng)軸施加的彎曲扭矩;因此，我們可將其運(yùn)動(dòng)受力狀態(tài)，簡(jiǎn)化為彎曲實(shí)驗(yàn)理論模型[1]。根據(jù)彎曲實(shí)驗(yàn)理論模型我們可得車輪的彎曲扭矩公式（1）：

式中：

M——車輪所受彎矩。

？滋——輪胎與路面設(shè)定的摩擦系數(shù)。

R——車輪的靜負(fù)荷半徑。

d——鋁合金車輪偏距。

Fv——車輪最大設(shè)計(jì)載荷。

S——強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)系數(shù)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，輪胎與路面的摩擦系數(shù)？滋取0.7，靜負(fù)荷半徑R為342mm，強(qiáng)化系數(shù)取推薦值1.6，輪輞的偏距d取45mm，從而可得彎曲扭矩M為4103N.mm。

又因，彎矩與實(shí)驗(yàn)載荷間的關(guān)系：

故取加載軸L長(zhǎng)度為660mm，可得實(shí)驗(yàn)載荷：

F=6217N

在實(shí)際行駛過(guò)程中，車輪是不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，施加與軸上的載荷方向也是隨著時(shí)間變化的;為了保證作用于軸上力的大小不變，我們可以將力F分解為x軸和y軸兩個(gè)方向[2]。設(shè)時(shí)間變量為t，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為？棕，則可以得到任意時(shí)刻x軸和y軸上的分作用力Fx=sin ？棕t和Fy=cos ？棕t，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)定車輪的轉(zhuǎn)速n=750r/min，則在軸端的加載力周期T=1/n=0.08s;如果將車輪一周360°等分為30個(gè)方向，將載荷離散的分別加載在這30個(gè)方向上，將時(shí)間t設(shè)為1-30的整數(shù)，可求得每次加載力的大小。

3? 彎曲疲勞強(qiáng)度有限元分析

①本文采用IDEAS分析軟件進(jìn)行有限元分析，將UG中建好的車輪模型導(dǎo)入IDEAS，在軟件中建立連接盤和加載軸，鏈接盤直徑設(shè)為180mm，高度為60mm，加載軸的直徑和高度分別為100mm和600mm，如圖2所示。

②網(wǎng)格劃分。理論上網(wǎng)格越密，有限元單元越多越接近實(shí)際值，但不可避免的增大了運(yùn)算量，延長(zhǎng)了分析時(shí)間[5-6];在既能保障精度，又不至于花費(fèi)太多的運(yùn)算時(shí)間，本文采用四邊面網(wǎng)格，網(wǎng)格密度為8;選擇材料的彈性模量E為71000MPa，泊松比為0.33，材料密度為2.69g/cm3。

③施加載荷和約束。在加載軸的遠(yuǎn)端創(chuàng)建載荷施加面，將上文計(jì)算好的作用力施加于載荷面上;實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，車輪通過(guò)螺栓固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，夾具將輪緣固定，車輪的2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和3個(gè)移動(dòng)自由度完全被約束，只有車輪繞加載軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度允許存在;本文參照實(shí)際情況，由于建模時(shí)車輪與加載軸已經(jīng)緊固鏈接，所以只需對(duì)輪緣施加約束載荷，即可實(shí)現(xiàn)車輪只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。施加后約束后的結(jié)果如圖2所示。

④運(yùn)算求解。將約束和載荷建立聯(lián)系，導(dǎo)入求解器求解結(jié)果，最大應(yīng)力集中處應(yīng)力云圖如圖3所示。

根據(jù)彎曲應(yīng)力云圖，可以得出，正面造型面的應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在車亮面與鑄造面階梯平臺(tái)的圓角處，此處圓角較小，車亮面凸起較窄，容易造成應(yīng)力集中，與實(shí)際情況相符，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以考慮優(yōu)化該處的圓角;分析背面彎曲應(yīng)力云圖，應(yīng)力集中在大窗口拐角處，應(yīng)力值為114MPa，雖遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到鋁合金的最大屈服許用應(yīng)力，但是超過(guò)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)破壞值110MPa，此處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在著風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮對(duì)該處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

4? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將試制樣輪固定于彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上，表面噴涂探傷粉，根據(jù)第二節(jié)數(shù)據(jù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)后載荷循環(huán)180萬(wàn)次，未見(jiàn)明顯裂紋，繼續(xù)進(jìn)行做極限實(shí)驗(yàn)，最終得到疲勞裂紋，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輪輞大窗口拐角處最先出現(xiàn)疲勞裂紋，這和上文的仿真結(jié)果，基本一致，從而證明了有限元仿真的有效性。

5? 結(jié)論

①施加于加載軸的彎曲載荷在試驗(yàn)過(guò)程為余弦方式加載，其大小不變，方向隨時(shí)間變化。②車輪與輪胎接觸部分的應(yīng)力采用余弦函數(shù)的方式進(jìn)行加載，從車輪中線至大約逐漸減小。③通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真應(yīng)力集中位置和實(shí)驗(yàn)疲勞裂紋出現(xiàn)位置一致，仿真分析在應(yīng)力模擬分析中具有可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]單萍.鋁合金車輪動(dòng)態(tài)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].山東建筑大學(xué)，2020.

[2]趙鐵石.鍛造鋁合金商用車車輪的設(shè)計(jì)仿真與開(kāi)發(fā)[D].燕山大學(xué)，2017.

[3]楊云端.某轎車鋁合金車輪疲勞分析[D].南京理工大學(xué)，2018.

[4]王一瀏.車輪結(jié)構(gòu)-材料一體化輕量化多目標(biāo)優(yōu)化研究[D].吉林大學(xué)，2016.