梁玉紅，王志方，王圣梁

（萬豐奧特控股集團有限公司，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，隨著計算機硬件及算法的發(fā)展，CAE軟件在滿足工程設計需要的同時，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的測試數(shù)據(jù)作為依托，同時，有效準確的測試變得更加重要，而CAE仿真又正是幫助實現(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，借助計算機數(shù)值模擬獲得相應物理行為的解答，通過真實或縮減的試驗模型進行測量，可先期獲得支撐CAE模型的相關參數(shù)，并可依據(jù)分析-測試相關性技術驗證CAE模型的準確有效性并進行相應優(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測試間的關系

2 有限元計算模型建立

2.1 模型簡介

摩托車鋁合金輪轂的沖擊試驗有30°和90°兩種，本研究以90°沖擊試驗作為沖擊模型，試驗室實際試驗及示意圖如圖2所示，該模型由輪轂、輪胎和兩個沖錘組成，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，輪轂兩側中心孔使用專用夾具進行完全約束，沖錘在一定高度下自由落體，試驗后看輪轂是否出現(xiàn)貫穿性裂紋。

圖2 試驗室試驗模型

2.2 模型設定及材料定義

通過UG軟件建立鋁合金輪轂模型，將三維模型導入Hyperworks軟件進行網(wǎng)絡劃分，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)標準及產(chǎn)品幾何尺寸，確定輪轂模型選擇單元邊長為 3mm 的正三角形網(wǎng)格進行劃分，半圓柱壓塊因結構簡單，且為非研究對象，選擇20mm 的四邊形網(wǎng)格單元進行劃分。

對一些可能發(fā)生局部應力較大的細節(jié)采用更小尺寸三角單元進行離散逼近，充分發(fā)揮三角單元適應性強的優(yōu)點，以優(yōu)化網(wǎng)格的連接質(zhì)量。網(wǎng)格劃分完成以后，單元個數(shù)為215911個，節(jié)點為61531個。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)品拉伸試驗數(shù)據(jù)設置材料參數(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動。

（2）載荷。重錘實際高度為輪胎上方：150mm處；根據(jù)自由落體運動，沖錘整體接觸到輪胎時刻初速度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成。其中鋼絲簾線本構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模型，其應變能密度函數(shù)為W=C10(I1-3) +C20(I1-3)2+C30(I1-3)3,式中，I1為第一階應變不變量，C10、C20和C30為模型參數(shù)，通過試驗數(shù)據(jù)擬合獲得[3]。

試驗要求為輪胎胎壓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 應力實驗

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

在沖擊試驗過程中，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過程的車輪結構存在明顯的多次應力突變，與實際應力變化過程一致。

圖5 沖擊疲勞應力曲線

4 計算結果分析

采用Radioss求解器進行計算，對求解后的應力和應變結果進行分析，應力結果如圖6所示，應變結果如圖7所示。

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

圖6 應力云圖

圖7 應變云圖

表3 結果對比

5 結論

結果表明，在對應的客戶試驗標準下，非線性動態(tài)沖擊試驗仿真分析中應力和應變與實際試驗的位置相同，仿真試驗的應力、應變曲線和試驗基本一致，均在行業(yè)標準允許范圍內(nèi)，通過實驗室驗證，證明該方法科學、有效，可以推廣至工程化應用。該材料非線性的沖擊試驗仿真探索，仿真結果不需要經(jīng)過經(jīng)驗公式的修正，可直接作為試驗結果進行更為直觀的比較驗證，能夠更加真實、準確地模擬沖擊試驗，仿真結果簡單直接，極大地提高了沖擊試驗的分析準確率。

本次分析模型輪轂和輪胎建模均以實際試驗參數(shù)，盡可能的與實際試驗貼近，通過該仿真試驗，為沖擊試驗提供了一種新的研究方法，提高了仿真分析的準確性，也驗證了應力測試的方法可行性，為產(chǎn)品結構的可靠性設計提供了技術驗證和支撐，也可以準確的分析出質(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)和試模提供了技術指導，減少了模具開發(fā)、設計、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)濟效益的提升起到了重大作用。