胡裕超，楊輝

（桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541006）

引言

傳統(tǒng)的輪轂設(shè)計(jì)必須要通過(guò)實(shí)驗(yàn)法測(cè)定輪轂的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)性能以及疲勞使用壽命，極其耗費(fèi)成本[1]。隨著仿真行業(yè)發(fā)展，采用數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和性能分析，能很快判斷出設(shè)計(jì)產(chǎn)品是否合理，降低了時(shí)間和人力成本。

本文主要是對(duì)輪轂的彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，通過(guò)仿真技術(shù)來(lái)分析汽車車輪在周期性旋轉(zhuǎn)過(guò)程中輪轂的應(yīng)力應(yīng)變分布情況[2]。并且參考國(guó)標(biāo)，得到鋁合金A356的S-N曲線，最后求解得到輪轂在周期性彎曲載荷下疲勞壽命分布云圖，以判斷輪轂是否符合使用要求。

1 輪轂彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)受力分析

汽車在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎或者上坡運(yùn)動(dòng)時(shí)，輪轂會(huì)受到循環(huán)加載的力矩，所以這時(shí)相當(dāng)于半軸給輪轂施加扭矩的同時(shí)還施加了彎矩，因此對(duì)其進(jìn)行彎曲疲勞仿真分析是相當(dāng)有必要的[3]。

2 輪轂彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)仿真

彎曲疲勞強(qiáng)度是輪轂使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，反映的是輪胎在轉(zhuǎn)彎或爬坡時(shí)承受載荷的能力，本論文彎曲疲勞仿真的依據(jù)是GB/T5334-2005《乘用車車輪性能要求和實(shí)驗(yàn)方法》[4]。此標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作方法是用試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)輪轂進(jìn)行定位和固定，然后仿照半軸帶動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)的汽車實(shí)際運(yùn)行狀況，在車輪上連接一個(gè)加載軸模擬半軸，使加載軸以一定初速度旋轉(zhuǎn)，以模擬汽車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中半軸帶動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并在加載軸末端施加一個(gè)沿軸徑方向的作用力，以模擬汽車在轉(zhuǎn)彎或爬坡過(guò)程中所受的彎矩，這樣使仿真分析更接近于實(shí)際生活中汽車的運(yùn)動(dòng)和受力狀況[5]。

2.1 模型設(shè)計(jì)與材料屬性設(shè)定

進(jìn)行仿真分析的輪轂型號(hào)為 18×7.5J，輪轂所用材料為鋁合金A356，它的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，便于加工[6]。加載軸和法蘭材料均為結(jié)構(gòu)鋼[7]。鋁合金A356和結(jié)構(gòu)鋼具體的力學(xué)特性如表1所示。由于要對(duì)該輪轂進(jìn)行彎曲疲勞壽命分析，所以還需建立鋁合金A356的疲勞壽命（S-N）曲線。通過(guò)ANSYS Workbench材料庫(kù)中的general material選擇最普通的鋁合金材料，然后在此基礎(chǔ)上修改它的力學(xué)特性，使其得到的疲勞壽命（S-N）曲線與鋁合金A356一致。ANSYS Workbench生成的疲勞壽命（S-N）曲線如圖1所示。

表1 仿真材料力學(xué)特性表

圖1 鋁合金疲勞壽命曲線

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格是進(jìn)行ANSYS仿真分析的關(guān)鍵步驟，用來(lái)劃分輪轂的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10mm，加載軸以及其他部件網(wǎng)格尺存設(shè)置為20mm，由于輪轂形狀較為復(fù)雜，選取劃分網(wǎng)格方法為自動(dòng)劃分法（Automatic Method），最后共獲得了182926個(gè)網(wǎng)格和95710個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 設(shè)置接觸方式

輪轂與加載軸通過(guò)鍵過(guò)盈配合進(jìn)行裝配，故兩者連接關(guān)系設(shè)置為固定連接，采用joint里面的fixed進(jìn)行固定約束。法蘭與加載軸通過(guò)螺栓緊密連接，也采用joint里面的fixed進(jìn)行固定約束。法蘭是套在加載軸上通過(guò)螺栓與輪轂進(jìn)行連接，并沒(méi)有與加載軸固定在一起，故兩者接觸關(guān)系設(shè)置為無(wú)分離接觸（No seperation）[8]。

2.4 施加約束和載荷

2.4.1 約束設(shè)置

由于在輪轂彎矩實(shí)驗(yàn)中，輪輞外側(cè)被試驗(yàn)臺(tái)完全固定，故在固定于臺(tái)架的輪輞一側(cè)施加完全約束（Fix support），輪轂螺栓可繞加載軸旋轉(zhuǎn)，故僅保留繞加載軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

2.4.2 載荷施加

汽車在行駛過(guò)程中，車輪受到的彎矩計(jì)算方法如下：

式中：

μ——輪胎與地面摩擦系數(shù)，取0.7；

R——輪胎最大靜載半徑（m）；

D——輪轂偏距，取0.054（m）；

F——輪胎額定載荷，取680×9.8=6664N；

S——實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化系數(shù)，取1.6。

依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 2978-2008，選用的輪胎規(guī)格為225/60 R18 LT，輪胎的靜載負(fù)荷半徑為0.334m，將以上數(shù)據(jù)代入公式（1）可以求得車輪所受實(shí)驗(yàn)彎矩為3068.64N·m，而為了方便計(jì)算，選取加載軸長(zhǎng)度為1m，此時(shí)可以求得在加載軸末段應(yīng)施加的力為3068.64N，即在加載軸末端施加3068.64N的作用力，即可產(chǎn)生等效的彎矩。

2.5 設(shè)置求解內(nèi)容

在后處理中添加，等效應(yīng)變（Equivalent strain），方向位移，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，輪轂疲勞試驗(yàn)一般要求往復(fù)作用105次以上，可在疲勞工具中插入Damage ，設(shè)置設(shè)計(jì)次數(shù)design life為1.e005次，插入life求解在彎曲載荷下的使用壽命。

3 彎曲疲勞有限元分析結(jié)果

完成仿真的約束以及加載設(shè)置后，通過(guò)ANSYS Work-bench 進(jìn)行模擬分析和后處理，得到輪轂在周期性旋轉(zhuǎn)彎矩作用下的各項(xiàng)結(jié)果云圖如下，圖2、圖3為輪轂的變形和所受應(yīng)力情況，圖4為輪轂通過(guò)疲勞工具得到的疲勞壽命。

圖2 輪轂沿Y軸變形

從圖2可以看出在Y軸方向位移變化明顯，因?yàn)槭┘拥牧σ彩茄豗軸方向的，由圖2可知，最大的變形位于輪輻與中心圓盤的過(guò)渡位置，最大位移為1.0285mm，由圖3可以看出輪轂在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用下的應(yīng)力分布狀況，在中心圓盤的螺栓孔以及各個(gè)輪輻所受應(yīng)力比較大，隨著離中心圓盤距離漸遠(yuǎn)，所受應(yīng)力逐漸減小，最大的應(yīng)力為448.58MPa。由圖4可以看出輪轂的輪輞的壽命最大可達(dá)到108大于設(shè)定的106，但輪輻邊緣以及中心圓盤附近有應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致壽命偏低，要適度改變形狀強(qiáng)化這些部位，才能提高輪轂壽命。

圖4 輪轂等效應(yīng)力

圖5 輪轂彎曲疲勞壽命

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鋁合金A356輪轂的建模和仿真，得到了輪轂的位移和應(yīng)力分布云圖，分析發(fā)現(xiàn)在中心圓盤的螺栓孔以及各個(gè)輪輻所受應(yīng)力比較大，隨著離中心圓盤距離漸遠(yuǎn)，所受應(yīng)力逐漸減小，所受最大應(yīng)力位于螺栓孔附近。通過(guò)ANSYS Workbench中的疲勞工具，得到了壽命分布云圖，對(duì)輪轂受到彎曲扭矩后的疲勞損傷進(jìn)行科學(xué)直觀的展示，提高了設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)效率。輪轂設(shè)計(jì)人員提供了技術(shù)支持，指出了設(shè)計(jì)方向。