基于ABAQUS轎車鋼制車輪螺母座剛度有限元分析

萬向錢潮（桂林）汽車底盤部件有限公司 （廣西 541004） 滕明權

車輪是一個高速轉動、承受車輛重量及運動沖擊的關鍵安全件，通過螺栓與輪轂聯接，螺母座剛度關系到聯接的可靠性。轎車鋼制車輪的螺母座剛度需符合汽車行業標準QC/T258—1998的規定，在產品開發過程中，通常是依靠經驗進行設計，做出樣品后再進行試驗驗證，設計常需反復修改，開發周期長，浪費大量人力、物力。隨著有限元分析軟件的推廣應用，在車輪開發中引進了有限元分析軟件ABAQUS，為在設計初期對螺母座進行結構優化，提供了改進依據，縮短了開發時間，節約了成本。

1.鋼制車輪輪輻幾何模型的生成

車輪螺母座剛度試驗可采用垂直力加載法進行，如圖1所示，將車輪放在底座上，通過螺栓按試驗要求加載垂直力，試驗后，每個螺母座的永久變形量應≤0.3mm。用UG建立車輪輪輻模型，如圖2所示。由于螺母座為4孔均布，結構和載荷具有對稱性，故取1/4進行分析，經對比分析發現，輪輻外側對螺母座剛度的影響非常小，為降低分析計算量，只取輪輻中間部分進行分析，分析模型如圖3所示。

圖1 垂直力加載法

圖2 車輪輪輻幾何模型

圖3 車輪輪輻1/4分析模型

2.分析模型的建立

（1）導入部件 將分析模型導入ABAQUS，為降低分析計算量，輪輻設為殼部件，底座設為剛體，加載力直接作用于螺母座錐面。

（2）確定材料屬性 車輪螺母座剛度試驗屬于塑性永久變形量檢測，采用彈塑性材料屬性，應用Mises屈服準則 。輪輻材料為SAPH440厚4.0mm鋼板，楊氏模量取210000MPa，泊松比取0.3，對SAPH440鋼板進行單向拉伸試驗，獲得名義應力、應變曲線，在ABAQUS中用真實應力、塑性應變定義材料塑性，將名義應力、應變換算后可獲得真實應力、塑性應變值，如附表所示。

（3）定義相互作用 按實際接觸情況，在輪輻與底座之間建立STANDARD表面與表面接觸對。為簡化模型，在螺母座錐面中線上建立參照點，并與錐面耦合，作為加載點，替代螺母，如圖4所示。

（4）定義載荷及邊界條件按實際情況，底座施加固定約束，輪輻施加對稱約束。根據標準QC/T258—1998，采用垂直力加載法，如圖1所示，采用M12螺栓時，初負荷4200N→試驗載荷50000N→卸載荷到4200N，初負荷點與卸載荷點的變形量之差，即為螺母座的永久變形量，本文采用三個分析步驟來實現上述加載，如圖5所示。

應力應變值

圖4 相互作用

（5）劃分網格輪輻形狀復雜，采用種子為1的四邊形自由網格，單元類型為STANDARD殼線性減縮積分S4R，網格模型如圖6所示。

圖5 載荷及邊界條件

圖6 網格模型

3.計算結果分析

從應力云圖可看出，應力主要集中在螺母座周圍，如圖7所示。從位移－載荷－時間曲線可看出，變形量隨載荷的變化趨勢（見圖8），在初負荷4200N時，變形量為0.022mm，在試驗載荷50000N時，變形量為0.42mm，卸載荷到4200N時，變形量為0.28mm，永久變形量為0.258mm，符合標準QC/T258—1998的要求，每個螺母座的永久變形量應≤0.3mm。在實際生產中，本文所分析車輪的螺母座鋼度，試驗后永久變形量為0.20～0.25mm，有限元分析結果與實際結果符合度較高。

圖7 應力分布圖

圖8 位移-載荷-時間曲線圖