郎凱華

摘 要：目前，在汽車(chē)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(shì)和方向，為有效促進(jìn)輕量化發(fā)展，在汽車(chē)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(chē)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(chē)輪疲勞進(jìn)行研究，有效促進(jìn)汽車(chē)的輕質(zhì)化研究，提高和優(yōu)化車(chē)輪的輕質(zhì)化設(shè)計(jì)，有效提高車(chē)輪的抗疲勞性。

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

一、引言

在汽車(chē)工業(yè)中，車(chē)輪是汽車(chē)的主要構(gòu)成部件之一，其作用不僅是作為協(xié)助汽車(chē)運(yùn)動(dòng)，更是要支撐汽車(chē)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(chē)車(chē)輪在支撐整個(gè)汽車(chē)自重的同時(shí)，還承載著行駛過(guò)程中汽車(chē)因減速、車(chē)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(dòng)態(tài)載荷，造成車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，使車(chē)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(chē)輪疲勞進(jìn)行研究，對(duì)汽車(chē)輪胎使用壽命和車(chē)輪疲勞進(jìn)行分析，從而有效提高車(chē)輪的使用壽命。

二、鋁合金車(chē)輪的發(fā)展及其現(xiàn)狀

目前，在汽車(chē)工業(yè)中，為提高汽車(chē)使用壽命和燃油經(jīng)濟(jì)性，就要有效實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化。在研究中表明，減輕汽車(chē)自重，能夠有效減輕汽車(chē)行駛的阻力、摩擦力，降低風(fēng)力阻力、路面材料對(duì)汽車(chē)行駛的影響，能夠有效改善汽車(chē)在行駛過(guò)程中的轉(zhuǎn)向能力、加速能力和制動(dòng)能力等，避免噪聲和振動(dòng)對(duì)汽車(chē)帶來(lái)的負(fù)面影響，使汽車(chē)的功率運(yùn)轉(zhuǎn)能力能夠得到有效提升。輕量化汽車(chē)的研發(fā)，能夠有效降低汽車(chē)的低油耗，減少汽車(chē)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(chē)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(chē)結(jié)構(gòu)，例如在研發(fā)過(guò)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(chē)材料，更改汽車(chē)的結(jié)構(gòu)、縮小相關(guān)零部件，降低汽車(chē)的重量。

在傳統(tǒng)的汽車(chē)制造業(yè)中，鋼制車(chē)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(chē)輪逐步替代鋼制汽車(chē)材料，同時(shí)鋁合金車(chē)輪不僅具有質(zhì)量輕等特點(diǎn)，其美觀性、節(jié)能性、耐腐蝕等特點(diǎn)也深受人們喜好。鋁合金車(chē)輪主要源于賽車(chē)愛(ài)好者為追求更快的車(chē)速，通過(guò)對(duì)車(chē)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(chē)輪而發(fā)展起來(lái)。我國(guó)鋁合金車(chē)輪工業(yè)相比于日本、德國(guó)等國(guó)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(chē)制造工業(yè)所采納，因此，輕量化汽車(chē)發(fā)展使歷史選擇的必然結(jié)果，在未來(lái)具有較高的應(yīng)用性。但是，介于車(chē)輪承載著整個(gè)汽車(chē)所有的自重，在行駛過(guò)程中受到的力較多，需要對(duì)其抗疲勞性進(jìn)行有效研究[2]。

三、鋁合金車(chē)輪疲勞研究

（一）車(chē)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(diǎn)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(chē)輪疲勞主要是指車(chē)輪在運(yùn)行、行駛過(guò)程中，受到來(lái)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(chē)輪零部件在生產(chǎn)過(guò)程中，剩余的應(yīng)力、壓力以及車(chē)輪螺栓的壓力等造成的一定載荷，在汽車(chē)行駛過(guò)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(chē)輪在行駛過(guò)程中，長(zhǎng)期與地面向接觸，在汽車(chē)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(chē)輪受損，耐受能力下降等。在對(duì)鋁合金車(chē)輪進(jìn)行疲勞研究時(shí)，關(guān)注車(chē)輪發(fā)生內(nèi)部、外部載荷因素是非常重要的[3]。

（二）車(chē)輪靜應(yīng)力和變應(yīng)力分析

汽車(chē)車(chē)輪所受到的力主要分為兩種，一種是汽車(chē)載靜止條件下由于汽車(chē)自身重力而引起的靜應(yīng)力，一種是由于汽車(chē)載行駛過(guò)程中，受到來(lái)自各方面的動(dòng)態(tài)荷載作用力。在分析車(chē)輪有限元的鋁合金車(chē)輪疲勞過(guò)程中，應(yīng)對(duì)這兩種力進(jìn)行分析和研究。其中，車(chē)輪靜應(yīng)力就是汽車(chē)的應(yīng)力數(shù)值在某一時(shí)刻、某一時(shí)間段、某一過(guò)程中內(nèi)的數(shù)值是固定不變的，當(dāng)種一常力，例如汽車(chē)的重力，作用于鋁合金材料上時(shí)，將承載面積假設(shè)為A，可認(rèn)為汽車(chē)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(chēng)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(dòng)應(yīng)力，該應(yīng)力是由多種動(dòng)態(tài)應(yīng)力組合而成，在對(duì)汽車(chē)應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)對(duì)這兩種應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，動(dòng)應(yīng)力檢測(cè)需要分析一系列動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

（三）車(chē)輪彎曲疲勞分析

車(chē)輪彎曲疲勞試驗(yàn)是一種常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，當(dāng)車(chē)輪在不斷運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定的載荷，在分析汽車(chē)車(chē)輪疲勞程度時(shí)，不能忽略這些力對(duì)車(chē)輪帶來(lái)的影響，否者會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)出現(xiàn)誤差，無(wú)法正確檢測(cè)車(chē)輪的疲勞壽命。汽車(chē)車(chē)輪疲勞壽命與其使用時(shí)間、應(yīng)力有關(guān)，可以根據(jù)累積損傷理論來(lái)進(jìn)行分析。在檢測(cè)過(guò)程中，車(chē)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(guó)進(jìn)行分析，在分析、計(jì)算車(chē)輪彎曲疲勞度時(shí)，應(yīng)充分考慮以上因素。

（四）車(chē)輪有限元應(yīng)力分析

在分析車(chē)輪有限元應(yīng)力時(shí)，應(yīng)當(dāng)有效對(duì)車(chē)輪進(jìn)行彈性分析和塑性分析。在對(duì)車(chē)輪動(dòng)態(tài)彎曲試驗(yàn)過(guò)程中，需要分析車(chē)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(guò)采用線(xiàn)彈性分析方案，得到相關(guān)應(yīng)力曲線(xiàn)，并采用Abaqus/Standard等軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，有效對(duì)車(chē)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(chē)輪疲勞程度過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)分析汽車(chē)輪胎的車(chē)輪疲勞理論、對(duì)車(chē)輪靜應(yīng)力和變應(yīng)力、車(chē)輪彎曲疲勞度和車(chē)輪有限元應(yīng)力進(jìn)行分析，從而有效得出鋁合金車(chē)輪疲勞程度，并加以改善，提高輕量化汽車(chē)生產(chǎn)能力，提高汽車(chē)輪胎使用壽命和抗疲勞度。

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