汽車車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)的有限元模擬論文

　　汽車車輪是汽車的重要組成部分，承受了來自汽車的全部重量，它的可靠性直接影響汽車的安全行駛以及人的生命安全。為了保證它的安全，國家對它出廠前需要通過的試驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)定，分別為動態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)、動態(tài)徑向疲勞試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。做這些試驗(yàn)需要輪轂產(chǎn)品和專用設(shè)備，增加了成本，同時(shí)還延長了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。

　　近年來，隨著 NX NASTRAN,ANSYS 等分析軟件的發(fā)展、應(yīng)用，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬上述三個(gè)實(shí)驗(yàn)，將模擬分析結(jié)果作為設(shè)計(jì)的初始條件，可降低設(shè)計(jì)周期和實(shí)驗(yàn)成本，深受汽車企業(yè)歡迎。車輪主要是由輪轂和輪胎組成的，而動態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)中只對輪轂進(jìn)行了考察。動態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)?zāi)�擬了汽車行駛過程中受到彎曲力矩的情況，并且輪轂發(fā)生疲勞破壞的最主要原因就是彎曲疲勞，因此對它的研究顯得尤為重要。

　　1 輪轂的三維建模

　　輪轂主要是由輪輞和輪輻組成的，輪輞是輪轂上與輪胎接觸的部分，文獻(xiàn)[1]對它的尺寸做了規(guī)定，輪輻是與車軸實(shí)施安裝連接，支撐輪輞的車輪部分。

　　輪輻部分是影響輪轂重量和強(qiáng)度的重要部分，它的尺寸和形狀沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。輪輻的設(shè)計(jì)主要是從輪板數(shù)量和輪輻形狀兩個(gè)方面考慮，在設(shè)計(jì)中輻板數(shù)量影響輪轂的外觀、強(qiáng)度、通風(fēng)性、加工難易等，常用的有五輻、七輻、八輻、十輻等，而輪輻形狀有星型、Y 型、V 型等。

　　2 動態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)

　　根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)時(shí)輪轂承受一個(gè)與之相對旋轉(zhuǎn)的彎矩。本文采用輪轂旋轉(zhuǎn)加載方式如圖 2 所示，為了對車輪施加彎矩，以規(guī)定的 0.5 m 到 1.04 m距離(力臂)處施加一個(gè)平行于車輪安裝面的力。本文選用的力臂長 L 為 0.6 m，確定應(yīng)力最大位置時(shí)是讓輪轂在一固定不動的彎矩下旋轉(zhuǎn)，從而找出輪轂旋轉(zhuǎn)過程中應(yīng)力最大的位置，然后以此位置的載荷和約束為基礎(chǔ)進(jìn)行疲勞分析。

　　3 彎曲疲勞試驗(yàn)有限元模擬

　　3.1 最大應(yīng)力位置的確定

　　依據(jù)動態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)的要求，如圖 2 所示，輪轂被緊固在試驗(yàn)裝置的面上，裝置上的夾具夾緊輪轂的輪緣，所以在對輪轂施加約束時(shí)，應(yīng)在軸一側(cè)輪輞外緣處施加固定約束，以此來固定它的 6 個(gè)自由度。為了對車輪施加彎曲，可以在軸的末端施加一個(gè)平行于車輪安裝面的載荷 F，大小為F=M/L, 其中 L 為力臂長，L=0.6 m，所以 F=5 880 N。

　　3.2 彎曲疲勞的疲勞分析

　　當(dāng)物體受到固定力矩作用時(shí)，應(yīng)力大的區(qū)域就是疲勞試驗(yàn)中應(yīng)力幅值高的區(qū)域，而應(yīng)力幅值較高的區(qū)域就是最容易發(fā)生疲勞破壞的部位。本文選用的輪轂是呈軸對稱的，它旋轉(zhuǎn)過程中受到一固定彎矩作用，它的最大應(yīng)力值的疲勞可以近似的代替輪轂的整體疲勞狀況，而輪轂旋轉(zhuǎn)過程中應(yīng)力最大位置是到達(dá)輪轂窗口中心線位置，所以此位置的疲勞情況可以近似代替輪轂的整體疲勞情況。

　　4 結(jié) 論

　　依據(jù)動態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)的國家標(biāo)準(zhǔn)，通過 NXNASTRAN 軟件模擬了輪轂旋轉(zhuǎn)過程中的應(yīng)力變化情況，直觀的找出了旋轉(zhuǎn)過程中輪轂受到應(yīng)力最大的位置，并以此位置輪轂受到的載荷和約束為基礎(chǔ)進(jìn)行疲勞分析，發(fā)現(xiàn)輪轂的最低壽命為 5×105次，輪輻輻板拐角處最容易發(fā)生疲勞破壞，所得數(shù)據(jù)為輪轂結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化提供了依據(jù)。