基于有限元的鋁合金車輪疲勞研究

郎凱華

摘 要：目前，在汽車工業發展中，輕量化發展已經成為主要發展的趨勢和方向，為有效促進輕量化發展，在汽車工業中采用輕質材料鋁及相關合金等材料，能夠有效提高輕量化發展能力。在本次研究中，為更好促進輕量化汽車工業發展，主要建立于Solidworks系統中，基于有限元的鋁合金車輪疲勞進行研究，有效促進汽車的輕質化研究，提高和優化車輪的輕質化設計，有效提高車輪的抗疲勞性。

關鍵詞：輕量化發展;鋁合金車輪;結構設計;有限元分析;強度分析;疲勞研究

一、引言

在汽車工業中，車輪是汽車的主要構成部件之一，其作用不僅是作為協助汽車運動，更是要支撐汽車本身所有的自重，其功能較為強大，作用較為突出和明顯。汽車車輪在支撐整個汽車自重的同時，還承載著行駛過程中汽車因減速、車輪摩擦力、風力阻力以及路面不平、濕滑等引發各種不同的動態載荷，造成車輪轉動慣量增大，使車輪發生強度斷裂，引發疲勞失效[1]。因此，本文主要基于有限元的鋁合金車輪疲勞進行研究，對汽車輪胎使用壽命和車輪疲勞進行分析，從而有效提高車輪的使用壽命。

二、鋁合金車輪的發展及其現狀

目前，在汽車工業中，為提高汽車使用壽命和燃油經濟性，就要有效實現汽車輕量化。在研究中表明，減輕汽車自重，能夠有效減輕汽車行駛的阻力、摩擦力，降低風力阻力、路面材料對汽車行駛的影響，能夠有效改善汽車在行駛過程中的轉向能力、加速能力和制動能力等，避免噪聲和振動對汽車帶來的負面影響，使汽車的功率運轉能力能夠得到有效提升。輕量化汽車的研發，能夠有效降低汽車的低油耗，減少汽車尾氣的排放，使環境污染得到有效緩解。為提高輕量化汽車生產能力，最直接的方式就是采用輕量化材料、優化汽車結構，例如在研發過程中，采用高強度鋼板，鋁合金等輕質材料代替傳統的汽車材料，更改汽車的結構、縮小相關零部件，降低汽車的重量。

在傳統的汽車制造業中，鋼制車輪一直占有主導地位，目前，隨著科學技術的不斷發展和進步，鋁合金車輪逐步替代鋼制汽車材料，同時鋁合金車輪不僅具有質量輕等特點，其美觀性、節能性、耐腐蝕等特點也深受人們喜好。鋁合金車輪主要源于賽車愛好者為追求更快的車速，通過對車輛各零部件進行輕量化的改裝，采用鋁合金等材料替代車輪而發展起來。我國鋁合金車輪工業相比于日本、德國等國家而言，起步較晚，但是其推廣能力和范圍較為廣大，被大多數汽車制造工業所采納，因此，輕量化汽車發展使歷史選擇的必然結果，在未來具有較高的應用性。但是，介于車輪承載著整個汽車所有的自重，在行駛過程中受到的力較多，需要對其抗疲勞性進行有效研究[2]。

三、鋁合金車輪疲勞研究

（一）車輪疲勞理論

疲勞是指材料、零件等在循環加載、運轉下，某些節點產生局部損傷，導致發生永久性受損，從而出現裂紋，并完全斷裂的現象。車輪疲勞主要是指車輪在運行、行駛過程中，受到來自外部、內部的載荷較大，從而引發零部件疲勞現象。其中，內部疲勞主要是指車輪零部件在生產過程中，剩余的應力、壓力以及車輪螺栓的壓力等造成的一定載荷，在汽車行駛過程中不斷被放大，從而引發內部疲勞。外部疲勞主要是指車輪在行駛過程中，長期與地面向接觸，在汽車自重、風力阻力等影響因素下，造成零部件疲勞破壞，從而導致車輪受損，耐受能力下降等。在對鋁合金車輪進行疲勞研究時，關注車輪發生內部、外部載荷因素是非常重要的[3]。

（二）車輪靜應力和變應力分析

汽車車輪所受到的力主要分為兩種，一種是汽車載靜止條件下由于汽車自身重力而引起的靜應力，一種是由于汽車載行駛過程中，受到來自各方面的動態荷載作用力。在分析車輪有限元的鋁合金車輪疲勞過程中，應對這兩種力進行分析和研究。其中，車輪靜應力就是汽車的應力數值在某一時刻、某一時間段、某一過程中內的數值是固定不變的，當種一常力，例如汽車的重力，作用于鋁合金材料上時，將承載面積假設為A，可認為汽車自身重力W均勻地施加在A面積上，則A面積上承受的力，就是應力，由于重力是一種靜力，因此該力也被稱為靜應力，應力大小可用公式σ=W/A表示。變應力就是指動應力，該應力是由多種動態應力組合而成，在對汽車應力進行檢測時，應對這兩種應力進行檢測，動應力檢測需要分析一系列動態數據。

（三）車輪彎曲疲勞分析

車輪彎曲疲勞試驗是一種常見的動態試驗，當車輪在不斷運行過程中，會產生一定的載荷，在分析汽車車輪疲勞程度時，不能忽略這些力對車輪帶來的影響，否者會導致檢測出現誤差，無法正確檢測車輪的疲勞壽命。汽車車輪疲勞壽命與其使用時間、應力有關，可以根據累積損傷理論來進行分析。在檢測過程中，車輪承受的應力應根據平均應力、應力梯度、表面粗糙度德國進行分析，在分析、計算車輪彎曲疲勞度時，應充分考慮以上因素。

（四）車輪有限元應力分析

在分析車輪有限元應力時，應當有效對車輪進行彈性分析和塑性分析。在對車輪動態彎曲試驗過程中，需要分析車輪局部應力的變化與彈性形變和塑性形變直接關系，通過采用線彈性分析方案，得到相關應力曲線，并采用Abaqus/Standard等軟件進行仿真實驗，有效對車輪有限元應力進行分析[4]。

四、總結

綜上所述，在研究有限元的鋁合金車輪疲勞程度過程中，應重點分析汽車輪胎的車輪疲勞理論、對車輪靜應力和變應力、車輪彎曲疲勞度和車輪有限元應力進行分析，從而有效得出鋁合金車輪疲勞程度，并加以改善，提高輕量化汽車生產能力，提高汽車輪胎使用壽命和抗疲勞度。

參考文獻

[1]陳毅，侯存滿，趙海新.基于有限元的鋁合金車輪疲勞分析[J].承德石油高等專科學校學報，2018，20（02）：49-52.

[2]焦洪宇，夏葉，趙榮，等.基于ANSYS Workbench的汽車鋁合金輪轂彎曲疲勞強度有限元分析[J].汽車實用技術，2018，277（22）：48-50.

[3]何桃，李小強，李東升，等.鋁合金復雜變截面蒙皮拉形工藝有限元仿真優化與試驗驗證[C]// 創新塑性加工技術，推動智能制造發展——第十五屆全國塑性工程學會年會暨第七屆全球華人塑性加工技術交流會學術會議論文集.2017.

[4]支瑞紅.基于彎曲疲勞試驗的鋁合金車輪有限元分析[J].機械管理開發，2009，24（06）：26-28+33.