基于UG的輪輞臺架實驗仿真與分析

衛鋒

(北汽福田汽車股份有限公司南海汽車廠，廣東佛山 528200)

基于UG的輪輞臺架實驗仿真與分析

衛鋒

(北汽福田汽車股份有限公司南海汽車廠，廣東佛山 528200)

汽車輪輞作為整車最重要的零部件之一，直接影響整車的可靠性和駕乘人員的安全。在開發過程中，使用UG軟件的高級仿真模塊和分析模塊，結合產品的試驗方式，對產品三大性能測試進行模擬。通過分析各表面所受應力大小，與原材料的各項機械性能指標進行比對，從而判斷產品的設計安全性是否達標，提高產品的設計一次合格率、降低開發風險，同時保證產品可靠性。

輪輞；臺架試驗；模擬

0 引言

汽車輪輞作為整車行駛系統中最重要的零部件之一，對整車的可靠性有很大的影響，輪胎通過輪輞直接與地面接觸[1]。因此，在開發過程中，利用UG軟件仿真，模擬產品的真實試驗狀態，將產品的各表面應力大小與材料的機械性能進行比對，初步判斷該數模是否存在失效可能，為輪輞的結構優化提供參考。

UG的高級仿真模塊為富有經驗的有限元分析師提供了全面的有限元模型以及結果可視化的解決方案，考慮到產品為鑄造成型，成型過程的溫度、成份，鑄造性能，熱處理效果存在變差，一般會在模擬階段增加一個試驗系數，用以實現產品的制造過程狀態[2]。

1 使用UG進行有限元分析基本過程

使用UG進行有限元分析基本過程[2]如下：

(1)獲得分析模型(零件或裝配)；

(2)選擇解算器；

(3)理想化模型；

(4)建立有限元模型，包含材料及物理屬性等；

(5)添加邊界條件(載荷及約束)；

(6)解算；

(7)后處理結果及報告。

2 鋁合金輪輞彎曲疲勞測試模擬

(1)產品設計試驗參數

產品設計載荷：9 000 N；

13°沖擊：D=7 200 N，H=(230±2 ) mm；

彎曲疲勞：M=4 263 N·m，n=10萬；

徑面疲勞：Fr=24 210 N·m，N=50萬。

(2)材料的機械性能

屈服強度σ0.2=140 MPa，抗拉強度σb=220 MPa，延伸率δ≥7%。

(3)試驗依據標準

13°沖擊性能測試： GB/T15704-1995[4]；

彎曲疲勞測試：GB/T5334-2005[5]。

(4)網格的劃分

因本輪造型，A面曲率變化不大，不需進行A面的網格加密，按本輪中推薦的六面體網格大小進行分網，結果見圖2。

(5)加載的材料圖表見圖3、圖4。

(6)加載

按照GB/5334-2005標準，對彎曲疲勞測試動轉數要求為n=10萬次，對應力距Mr=4 623 000 N·mm，方向見圖5中的紅色箭頭，作用在輪輞中心孔內側。

(7)約束

模擬試驗的真實約束狀態，圖6中橙色面為約束面。

(8)結果分析

分析計算結果如圖7—10所示。分析最大應力值σ=118 MPa<σ0.2a=120 MPa，應力最大區域分布在輪輞輪輻側，正面最大應力分布在輪輻連接的窗口處，最大應力值σ=106 MPa<σ0.2a=120 MPa，分析判斷合格。

考慮到整個輪輻面黃色和綠色區域較多，藍色區域少，建議做彎曲疲勞測試時，正反面拋丸處理。

3 13°沖擊180°位置測試模擬

(1)加載

圖11中紅色箭頭的區域為加載區域。

(2)約束安裝面

圖12的虛線區域為約束面，相當于將輪輞的5個安裝孔進行固定。

(3)分析結果

分析最大應力σmax=166 MPa，響應應力σ響應=138.8 MPa(材料拉伸試驗輪輻中段σ實驗=140～165 MPa，取σ安全=145 MPa為安全值)。

因響應應力σ響應=138.8 MPa<σ0.2=145 MPa，判斷模擬結果合格。

應力最大區域見圖13—16。

按CAE分析顏色顯示，失效可能位置見圖13、14的紅色區域，即輪輻背面，但考慮到輪緣與輻條連接區域已設置為剛體，雖然應力顏色顯示為藍綠相間，但實際最大應力與應變區域應該為畫黑線的區域，因為此截面的截面積最小，且為一級應變區域。國家標準允許輪緣變形和開裂，但不許沖擊脫落。

綜合判斷：輪緣會開裂，但幅板可以承受此沖擊載荷，基本合格。建議輪緣適當加厚，保證平衡塊裝配。

4 13°沖擊0°位置測試模擬

(1)加載

車輪加載見圖17中紅色箭頭所示。

(2)分析結果

分析結果見圖18—19。

分析最大應力σmax=180.2 MPa，響應應力σ響應=150.2 MPa。

因響應應力σ響應=150 MPa>σ安全=145 MPa，判斷模擬結果不合格。

最大應力區域位置見圖20，在輻板與輪緣連接尖角處(圖20紅色區域)。其他區域應力在90～120 MPa之間，合格，所以建議如下：

將輻板與輪緣連接處輪緣適當加厚，保證平衡塊裝配；

將輪輻掛耳做高、做厚，輪輻遠端連接輪緣處適當做薄。

綜上所述：沖擊基本合格，如試驗有細微問題,可以加工設變調整解決。

5 徑向疲勞測試模擬

(1)加載

試驗加載狀態見圖21，紅色箭頭區域為加載區域。

(2)分析結果

分析結果見圖22—24。

由分析模擬后的云圖25初步判斷：

材料網部屈服強度，σ屈服=140～165 MPa左右，分析最大屈服強度σmax屈服=190 MPa

最大響應應力σmax響應=152 MPa>σ屈服=140 MPa，分析不合格。

建議：把輪輞壁厚適當加厚，由4.3 mm變為4.8 mm，通過試驗驗證。

6 優化后結果修正

針對有限元分析后的風險點進一步優化結構，對優化后的產品進行二次CAE分析驗證。分析結果見圖26—29。

從優化后的應力分布來看，受力比較均勻；通過比較優化前后云圖，可以明顯看到改進效果較為明顯，臺架驗證通過的可能性進一步加大。

7 實驗驗證

經過上述優化后，此新開發的鋁合金輪輞的彎曲疲勞試驗、徑向疲勞試驗、13°沖擊臺架試驗結果見圖30，均一次通過，達到國標要求。

此輪輞搭載整車進行12萬公里的可靠性路試，其中壞路、高環、山路分別為4萬公里，未出現任何裂紋。

8 總結

(1)UG作為一款強大的三維軟件，自身同樣具備強大的CAE分析功能，其CAE功能往往被大多數工程師忽視。文中通過對某皮卡鋁合金輪輞進行有限元分析計算、模擬仿真疲勞試驗等，以了解應力分布情況，有助于對結構進行改進，提高輪輞的承載能力，且避免了開發過程中的失敗情況。

(2)對比疲勞計算結論和試驗結果，說明疲勞壽命的仿真計算能夠較準確地預測疲勞失效部位，可以用于產品開發階段的疲勞損傷分析，提高產品的一次通過率，降低研發成本和縮短研發周期。

(3)利用類似分析方法，結合有限元計算結果和車輛道路采譜，有利于改進結構設計，提高零件的疲勞壽命。

【1】 肖生發,趙樹朋,馬榮朝.汽車構造[M].北京:北京大學出版社,2006:358-361.

【2】 沈春根,王貴成,王樹林.UG NX7.0有限元分析入門與實例精解[M].北京:機械工業出版社,2010：3.4-7.4.

【3】 陳玉發.鋁合金車輪的有限元分析與疲勞壽命預測[D].南京:南京理工大學，2008：22-27.

【4】 全國汽車標準化技術委員會.GB/T 15704-2012道路車輛 輕合金車輪 沖擊試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2012.

【5】 全國汽車標準化技術委員會.GB/T 5334-2005乘用車車輪性能要求和試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2006.

SimulationandAnlysisofWheelRimBenchTestBasedonUG

WEI Feng

(Nanhai Plant,Beiqi FOTON Motor Co.,Ltd.，Foshan Guangdong 528200,China)

Wheel rim is one of the most important auto parts, which directly affects reliability and safety of drivers and passengers. In the development process, using the simulation module and analysis module of UG software,combining with test modes of the rim, performance testing to the rim was simulated. In order to determine the safe design of products, improve once qualified rate, decrease design risks and guarantee the product reliability, the stresses on the surfaces were simulated and they were compared with the mechanical properties of the raw material.

Rim; Bench test; Simulation

2014-05-09

衛鋒(1985—)，男，工學學士，助理工程師，研究方向為整車底盤設計。E-mail：weif0506@sina.com。