鋼制車(chē)輪有限元分析

盛楓，王燕，葉燕飛

（浙江金固股份有限公司，浙江 杭州 311400）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽車(chē)在人類(lèi)發(fā)展史上做出了突出貢獻(xiàn)。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的今天，無(wú)論是人類(lèi)出行，還是貨物運(yùn)輸，都離不開(kāi)汽車(chē)。汽車(chē)是目前世界范圍內(nèi)非常重要的交通工具，不僅為生活帶來(lái)了便利，同時(shí)也為不同文明、不同地域之間的文化交流起到了橋梁作用。由于汽車(chē)在早期結(jié)構(gòu)都非常簡(jiǎn)單，汽車(chē)的制造及鋼輪設(shè)計(jì)在很大程度上都是基于經(jīng)驗(yàn)值，很少通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬。在計(jì)算方法和數(shù)據(jù)缺乏科學(xué)性及精確性的背景下，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法尤其是在可靠性方面通常無(wú)法滿(mǎn)足相應(yīng)要求。

近年來(lái)，有限元法已成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助工程的一部分，并在汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。有限元技術(shù)不僅可以準(zhǔn)確模擬汽車(chē)的靜態(tài)強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)性能和碰撞安全性，而且可以模擬疲勞時(shí)間。如果在設(shè)計(jì)階段采用有限元技術(shù)分析汽車(chē)鋼制車(chē)輪的疲勞性能，可以大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本。

1 鋼制車(chē)輪發(fā)展概述

鋼制車(chē)輪在汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了不斷的應(yīng)用。隨著汽車(chē)的不斷推廣，汽車(chē)已經(jīng)變得更安全、更方便，越來(lái)越適合人們的生活。隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速繁榮，汽車(chē)市場(chǎng)也隨之繁榮起來(lái)。如何提供更好的產(chǎn)品也成為大型汽車(chē)制造商關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是作為汽車(chē)安全的重要部件。鋼制車(chē)輪在保證車(chē)輛使用安全性方面具有至關(guān)重要的作用。

2 鋼制車(chē)輪疲勞有限元分析的意義

車(chē)輪作為汽車(chē)的重要安全部件，將地面提供的能量傳遞給汽車(chē)。車(chē)輪的性能對(duì)使用者的生命安全起著重要作用。車(chē)輪承載車(chē)輛重量，并在行駛過(guò)程中提供動(dòng)力和制動(dòng)。車(chē)輪是汽車(chē)上重要的旋轉(zhuǎn)部件。它通常由輪輞和輪輻組成，有時(shí)還包括輪轂。為確保車(chē)輛安全，車(chē)輪必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度。鋼制車(chē)輪通常會(huì)因?yàn)槠诋a(chǎn)生局部小裂紋，并延伸至突然斷裂。實(shí)際情況表明，疲勞損傷在車(chē)輪損傷中起著非常重要的作用。汽車(chē)在上路正常行駛的過(guò)程中，疲勞載荷對(duì)車(chē)輪的安全可靠性會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，然而在汽車(chē)車(chē)輪設(shè)計(jì)的過(guò)程中，采用有限元分析法進(jìn)行疲勞壽命分析具有非常重要的作用。

3 鋼制車(chē)輪有限元分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3．1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)汽車(chē)車(chē)輪性能的研究歷史悠久，但他們的研究主要集中在鋼制車(chē)輪。20世紀(jì)70年代，在日本和歐洲對(duì)鋼制和鋼車(chē)輪進(jìn)行了廣泛的研究。隨著美國(guó)和德國(guó)疲勞預(yù)期壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)的逐步發(fā)展，國(guó)外在20世紀(jì)80年代和90年代開(kāi)始對(duì)車(chē)輪疲勞進(jìn)行研究。隨著MSC公司開(kāi)發(fā)的MSC.FATIGUE下的”WHEELS”模塊的誕生，為車(chē)輪疲勞時(shí)間的分析打開(kāi)了大門(mén)。

最早，日本學(xué)者使用有限元分析軟件ABAQUS。對(duì)鋼制車(chē)輪的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總。結(jié)果表明，輪輞厚度對(duì)鋼制車(chē)輪的強(qiáng)度有顯著影響。后來(lái)，美國(guó)學(xué)者對(duì)鋼制車(chē)輪進(jìn)行了有限元分析。通過(guò)在輪輞座螺栓孔上施加載荷，并考慮輪胎氣壓的影響，建立了有效的有限元模型。此外，許多國(guó)外科學(xué)家也對(duì)鋼制車(chē)輪疲勞分析做出了重要貢獻(xiàn)。在2003年研究人員GaneshBabuThiyagarajan利用ANSYS對(duì)鋼圈進(jìn)行了疲勞壽命分析。采用了彈塑性有限元分析的方法對(duì)其進(jìn)行了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

3．2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

鋼制車(chē)輪疲勞性能分析在我國(guó)起步較晚，但隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展和有限元技術(shù)的不斷進(jìn)步，在工程實(shí)踐中的應(yīng)用越來(lái)越多，發(fā)展迅速。湖南大學(xué)的謝秀松首先用有限元法分析了鋼制車(chē)輪的疲勞性。然而，由于當(dāng)時(shí)條件的限制，分析結(jié)果并不理想。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使用正確的加載方法和應(yīng)力條件確定的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的比較表明，鋼制車(chē)輪疲勞分析具有很大的參考價(jià)值。早在2008年，浙江大學(xué)的嚴(yán)勝贊博士就討論了不同疲勞形式之間的分析方法，主要包括徑向疲勞、循環(huán)疲勞及不同疲勞方式的有限元分析，并為未來(lái)的研究提供了有價(jià)值的指示。

4 鋼制車(chē)輪受力分析

車(chē)輪是汽車(chē)中重要的旋轉(zhuǎn)鋼制車(chē)輪。它們對(duì)汽車(chē)的行駛穩(wěn)定性、駕駛舒適性和動(dòng)態(tài)性能起著非常重要的作用，直接影響著使用者的生命安全。

4．1 鋼制車(chē)輪載荷分類(lèi)

車(chē)輪不僅承載車(chē)輛的重量，而且還承載由駕駛行為、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎和路面不平引起的非常復(fù)雜的外力。因此，車(chē)輪受力分析對(duì)車(chē)輪制造具有重要意義。由于車(chē)輪載荷的復(fù)雜性，相關(guān)科學(xué)家將載荷力分為兩類(lèi)。

4．1．1 內(nèi)部載荷

鋼制車(chē)輪內(nèi)部載荷通常指車(chē)輪在生產(chǎn)制造過(guò)程中所形成的內(nèi)應(yīng)力，即為內(nèi)部載荷。車(chē)輪包括輪輻和輪輞，在生產(chǎn)過(guò)程中殘余應(yīng)力較大，通常與裝備過(guò)程及焊接方法有關(guān)。鋼制車(chē)輪在焊接過(guò)程中由于焊接應(yīng)力的存在，產(chǎn)生較大的內(nèi)部載荷。其它還包括螺栓的預(yù)緊力及輪胎的充氣壓力，都屬于內(nèi)應(yīng)力。

4．1．2 外部載荷

鋼制車(chē)輪在外部載荷的作用下產(chǎn)生的作用力，成為外部載荷。在汽車(chē)行駛過(guò)程中，首先考慮的是地面對(duì)車(chē)輪產(chǎn)生的作用力。作用力通過(guò)輪胎影響輪輞的輪緣和胎圈座的，從而影響著輪輻。其次是軸對(duì)車(chē)輪的作用力。整個(gè)車(chē)輪的性能受車(chē)輪大小和接口件的影響，包括垂直力，軸端分布的總載荷、縱向力、制動(dòng)、駕駛和移動(dòng)時(shí)作用在車(chē)輪上的慣性力。

4．2 鋼制車(chē)輪力學(xué)特性分析

4．2．1 車(chē)輪生產(chǎn)過(guò)程中的作用力

根據(jù)國(guó)外研究機(jī)構(gòu)和科學(xué)家的研究，車(chē)輪在生產(chǎn)過(guò)程中的作用力對(duì)疲勞的影響。其中主要包括裝配和焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力對(duì)車(chē)輪的彎曲和疲勞時(shí)間影響不大，然而徑向疲勞對(duì)循環(huán)疲勞壽命的影響不容忽視。

4．2．2 車(chē)軸對(duì)車(chē)輪的作用力

在作用力中，車(chē)軸對(duì)車(chē)輪的影響力最大，直接對(duì)車(chē)輪的疲勞性能產(chǎn)生影響。通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)研究表明，車(chē)輪載荷的分量一般分為橫向分量和縱向分量。橫縱向分量對(duì)車(chē)輪最大壓力位置產(chǎn)生影響，但是車(chē)輪的尺寸沒(méi)有影響。然而鋼制車(chē)輪最大壓力通常出現(xiàn)在螺栓孔附近，因此對(duì)車(chē)輪的疲勞性能影響顯著。驅(qū)動(dòng)扭矩和垂直分量會(huì)導(dǎo)致過(guò)度的壓力集中，因此會(huì)對(duì)車(chē)輪的疲勞產(chǎn)生顯著影響。

4．2．3 輪胎充氣壓力

輪胎是車(chē)輪的彈性部分，帶有減震器以吸收振動(dòng)。在功能上，它可以提高車(chē)輛的駕駛舒適性、牽引力、制動(dòng)性能和操縱性。相關(guān)研究表明，充氣壓力直接影響輪輞的張力，影響車(chē)輪的疲勞效率。輪胎上的充氣壓力越高，輪座和輪輞上的壓力越大，輪胎充氣壓力對(duì)輪胎疲勞效率影響較大。

4．2．4 螺栓預(yù)緊力

車(chē)輪用螺栓固定在車(chē)軸上，車(chē)輪與車(chē)軸之間的力主要通過(guò)螺栓傳遞。車(chē)輪裝配時(shí)，車(chē)輪制造商已經(jīng)確定了螺栓的扭矩，以確保車(chē)輪裝配的準(zhǔn)確性。螺栓的變形將導(dǎo)致螺栓孔處的壓力集中，影響車(chē)輪的疲勞強(qiáng)度。在有限元分析中，有時(shí)車(chē)輪直接與軸連接，而螺栓預(yù)緊力的影響往往被忽略。

5 汽車(chē)鋼制車(chē)輪疲勞的有限元分析試驗(yàn)

5．1 針對(duì)汽車(chē)鋼制車(chē)輪進(jìn)行車(chē)輪有限元模型

在汽車(chē)的各種零部件中，汽車(chē)車(chē)輪看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其受力狀態(tài)較為復(fù)雜。在車(chē)輪的不同部位存在多處可變受力點(diǎn)。當(dāng)鋼制車(chē)輪在較為復(fù)雜的路況上行駛時(shí)，在車(chē)輪不同的部位通常會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力突變點(diǎn)，易引發(fā)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)受力突變點(diǎn)一旦作用在應(yīng)力集中部位，通常會(huì)引發(fā)疲勞現(xiàn)象。在長(zhǎng)期疲勞載荷的作用下，常常會(huì)引發(fā)疲勞破壞。尤其當(dāng)觀察車(chē)輪疲勞破壞的形式時(shí)，在不同的受力狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)不同形式的疲勞破壞方式。利用現(xiàn)代科技手段，對(duì)汽車(chē)鋼制車(chē)輪采用有限元分析，并建立了有限元分析模型，如圖1所示。為車(chē)輪疲勞壽命及設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 鋼制車(chē)輪有限元模型

5．2 汽車(chē)鋼制車(chē)輪的車(chē)輪有限元模型分析及結(jié)果

鋼制車(chē)輪在投入使用前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行相關(guān)的性能試驗(yàn)，主要包括徑向疲勞試驗(yàn)、車(chē)輪動(dòng)態(tài)的彎曲疲勞試驗(yàn)。在進(jìn)行上述性能試驗(yàn)前，無(wú)論是國(guó)外廠家還是國(guó)內(nèi)廠家都對(duì)相應(yīng)的試驗(yàn)過(guò)程有嚴(yán)格的要求。對(duì)于沖擊性能試驗(yàn)要求來(lái)說(shuō)，利用錘頭的自由落體來(lái)測(cè)試鋼材的沖擊韌性，對(duì)鋼制車(chē)輪的沖擊同樣如此。在有限元模型測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)對(duì)約束條件的限制，對(duì)車(chē)輪結(jié)構(gòu)的靜態(tài)受力情況進(jìn)行分析，從而模擬應(yīng)力、應(yīng)變條件下的疲勞壽命預(yù)測(cè)。如圖2所示。

圖2 有限元分析曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)受力情況進(jìn)行分析，結(jié)合S-N特性曲線(xiàn)，經(jīng)系數(shù)修正對(duì)車(chē)輪進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

5．3 基于車(chē)輪有限元建模分析結(jié)果的疲勞壽命預(yù)測(cè)

通過(guò)對(duì)車(chē)輪的受力情況進(jìn)行分析，在模擬條件下通過(guò)建模對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬。通過(guò)有限元分析方法，對(duì)結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行了受力分析。對(duì)一般情況而言，在鋼制車(chē)輪的最大應(yīng)力點(diǎn)位置最容易出現(xiàn)疲勞破壞。但是需要指出的是，在對(duì)基本參數(shù)求取的過(guò)程中，相應(yīng)選材的性能指標(biāo)直接與S-N特性曲線(xiàn)相關(guān)。只有通過(guò)相應(yīng)的參數(shù)修正，才能得出完整且精確的材料特性曲線(xiàn)。在對(duì)車(chē)輪模擬情況進(jìn)行整合的基礎(chǔ)上，對(duì)S-N特性曲線(xiàn)進(jìn)行修正，就可以很好的完成車(chē)輪疲勞壽命的預(yù)測(cè)。

6 結(jié)語(yǔ)

在不同負(fù)載下，鋼制車(chē)輪損壞的主要原因之一就是疲勞。在車(chē)輪疲勞的情況下，載荷形式影響螺栓孔附近的區(qū)域，從而影響車(chē)輪整體的疲勞性能。利用有限元分析手段，分析了車(chē)輪應(yīng)力分布的影響效果，尤其是輪輻尺寸帶來(lái)的影響。因此，在考慮徑向疲勞的應(yīng)力分布時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)對(duì)車(chē)輪的受力情況進(jìn)行分析。然后，再評(píng)估鋼制車(chē)輪性能中疲勞有限元分析是非常有效的分析手段。鋼制車(chē)輪在改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要對(duì)車(chē)輪運(yùn)行中的性能進(jìn)行保障，以提高其安全性能。