鋁合金車輪有限元仿真分析研究

朱文婧 王永林 章孟軍

摘要：車輪優化設計過程中，傳統的實驗分析方法周期長、費用成本高，本文采用有限元分析方法，跟據車輪實際運行狀態，對車輪的彎曲試驗過程構建物理模型，求解出載荷參數，通過有限元模塊進行仿真分析，根據應力云圖，對薄弱結構進行優化，并通過實際實驗進行驗證，試驗結果表明有限元仿真分析在車輪優化設計過程中的有效性和可靠性。

Abstract： In the process of wheel design optimization， the traditional experimental analysis method is characteristic of cycle length and high cost. In this paper， according to the actual running state of the wheel， the physical model of the wheel bending fatigue test process is established by using the finite element analysis， and with the calculated load parameters be applied， then carries on the simulation analysis through the finite element module， optimizes the weak structure according to the stress nephogram. The analysis of the experimental results show that the finite element analysis is effective and reliable in the process of wheel design optimization.

關鍵詞：有限元;彎曲疲勞;結構優化

Key words： finite element;bending fatigue;structure optimization

中圖分類號：TP391.7? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0055-02

0? 引言

隨著碳達峰時代的到來，節能減排對汽車工業的要求，越來越嚴格，整車輕量化設計已成為汽車工業設計中的重中之重。鋁合金車輪作為整車的功能件和強度件，在滿足機械性能的前提下，快速的質量優化已成為各大企業和眾多學者研究的重要課題。

鋁合金車輪的輕量化研究，就是對其結構進行優化。車輪在行駛過程中，承受來自不同方面的不規則變化作用力;同時，由于路況的多樣性，增大了其復雜力學特征的研究難度。隨著計算機輔助設計和有限元分析軟件不斷發展成熟，有限元分析成為鋁合金車輪結構優化的重要手段。

采用有限元分析方法對鋁合金車輪的徑向、彎曲疲勞強度進行仿真，不僅可以有效的降低實驗成本，而且可以大大縮短車輪優化開發周期。通過合理數學模型建立，將參數導入有限元分析軟件，靶向的模擬出車輪結構的薄弱環節，從而對不合理設計以及冗余設計進行修正，進而達到優化開發路線實現快速設計的目的，車輪優化設計路線如圖1所示。本文以車輪的彎曲疲勞性能模擬為例進行分析研究。

1? 模型建立

本文采用19X8.0J規格產品進行建模，19代表輪輞直徑，8.0J為輪輞寬度，產品靜負荷半徑為342mm，偏距45mm，根據以上關鍵數據和造型概念，通過UG三維軟件進行參數建模，最終構建三維模型。

2? 建立力學模型

參照GBT 5334-2005 《乘用車車輪性能要求和試驗方法》，構建固定車輪的力學模型，即對車輪其施加一個旋轉的彎矩。

車輛行駛過程中，假設車輪相對于傳動軸位置靜止，車輪在路面和螺栓約束下，受到傳動軸施加的彎曲扭矩;因此，我們可將其運動受力狀態，簡化為彎曲實驗理論模型[1]。根據彎曲實驗理論模型我們可得車輪的彎曲扭矩公式（1）：

式中：

M——車輪所受彎矩。

？滋——輪胎與路面設定的摩擦系數。

R——車輪的靜負荷半徑。

d——鋁合金車輪偏距。

Fv——車輪最大設計載荷。

S——強化實驗系數。

根據標準，輪胎與路面的摩擦系數？滋取0.7，靜負荷半徑R為342mm，強化系數取推薦值1.6，輪輞的偏距d取45mm，從而可得彎曲扭矩M為4103N.mm。

又因，彎矩與實驗載荷間的關系：

故取加載軸L長度為660mm，可得實驗載荷：

F=6217N

在實際行駛過程中，車輪是不斷轉動的，所以實驗過程中，施加與軸上的載荷方向也是隨著時間變化的;為了保證作用于軸上力的大小不變，我們可以將力F分解為x軸和y軸兩個方向[2]。設時間變量為t，車輪轉動角速度為？棕，則可以得到任意時刻x軸和y軸上的分作用力Fx=sin ？棕t和Fy=cos ？棕t，實驗過程中，設定車輪的轉速n=750r/min，則在軸端的加載力周期T=1/n=0.08s;如果將車輪一周360°等分為30個方向，將載荷離散的分別加載在這30個方向上，將時間t設為1-30的整數，可求得每次加載力的大小。

3? 彎曲疲勞強度有限元分析

①本文采用IDEAS分析軟件進行有限元分析，將UG中建好的車輪模型導入IDEAS，在軟件中建立連接盤和加載軸，鏈接盤直徑設為180mm，高度為60mm，加載軸的直徑和高度分別為100mm和600mm，如圖2所示。

②網格劃分。理論上網格越密，有限元單元越多越接近實際值，但不可避免的增大了運算量，延長了分析時間[5-6];在既能保障精度，又不至于花費太多的運算時間，本文采用四邊面網格，網格密度為8;選擇材料的彈性模量E為71000MPa，泊松比為0.33，材料密度為2.69g/cm3。

③施加載荷和約束。在加載軸的遠端創建載荷施加面，將上文計算好的作用力施加于載荷面上;實際實驗中，車輪通過螺栓固定在實驗臺上，夾具將輪緣固定，車輪的2個轉動自由度和3個移動自由度完全被約束，只有車輪繞加載軸的轉動自由度允許存在;本文參照實際情況，由于建模時車輪與加載軸已經緊固鏈接，所以只需對輪緣施加約束載荷，即可實現車輪只有一個轉動自由度。施加后約束后的結果如圖2所示。

④運算求解。將約束和載荷建立聯系，導入求解器求解結果，最大應力集中處應力云圖如圖3所示。

根據彎曲應力云圖，可以得出，正面造型面的應力集中主要出現在車亮面與鑄造面階梯平臺的圓角處，此處圓角較小，車亮面凸起較窄，容易造成應力集中，與實際情況相符，在優化設計中，可以考慮優化該處的圓角;分析背面彎曲應力云圖，應力集中在大窗口拐角處，應力值為114MPa，雖遠沒有達到鋁合金的最大屈服許用應力，但是超過實驗經驗破壞值110MPa，此處的結構設計存在著風險，在實際設計中，應考慮對該處的結構進行調整。

4? 實驗驗證

將試制樣輪固定于彎曲疲勞試驗機上，表面噴涂探傷粉，根據第二節數據設置實驗參數，實驗后載荷循環180萬次，未見明顯裂紋，繼續進行做極限實驗，最終得到疲勞裂紋，實驗發現輪輞大窗口拐角處最先出現疲勞裂紋，這和上文的仿真結果，基本一致，從而證明了有限元仿真的有效性。

5? 結論

①施加于加載軸的彎曲載荷在試驗過程為余弦方式加載，其大小不變，方向隨時間變化。②車輪與輪胎接觸部分的應力采用余弦函數的方式進行加載，從車輪中線至大約逐漸減小。③通過實驗驗證，仿真應力集中位置和實驗疲勞裂紋出現位置一致，仿真分析在應力模擬分析中具有可靠性。

參考文獻：

[1]單萍.鋁合金車輪動態有限元分析及優化設計[D].山東建筑大學，2020.

[2]趙鐵石.鍛造鋁合金商用車車輪的設計仿真與開發[D].燕山大學，2017.

[3]楊云端.某轎車鋁合金車輪疲勞分析[D].南京理工大學，2018.

[4]王一瀏.車輪結構-材料一體化輕量化多目標優化研究[D].吉林大學，2016.