基于ANSYS Workbench的輪轂彎曲疲勞分析

胡裕超，楊輝

（桂林理工大學 機械與控制工程學院，廣西 桂林 541006）

引言

傳統的輪轂設計必須要通過實驗法測定輪轂的各項結構性能以及疲勞使用壽命，極其耗費成本[1]。隨著仿真行業發展，采用數值模擬技術預先對產品進行設計和性能分析，能很快判斷出設計產品是否合理，降低了時間和人力成本。

本文主要是對輪轂的彎曲疲勞試驗進行模擬分析，通過仿真技術來分析汽車車輪在周期性旋轉過程中輪轂的應力應變分布情況[2]。并且參考國標，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 輪轂彎曲疲勞實驗受力分析

汽車在進行轉彎或者上坡運動時，輪轂會受到循環加載的力矩，所以這時相當于半軸給輪轂施加扭矩的同時還施加了彎矩，因此對其進行彎曲疲勞仿真分析是相當有必要的[3]。

2 輪轂彎曲疲勞實驗仿真

彎曲疲勞強度是輪轂使用性能的一項重要指標，反映的是輪胎在轉彎或爬坡時承受載荷的能力，本論文彎曲疲勞仿真的依據是GB/T5334-2005《乘用車車輪性能要求和實驗方法》[4]。此標準中的實驗實際操作方法是用試驗臺架對輪轂進行定位和固定，然后仿照半軸帶動輪轂轉動的汽車實際運行狀況，在車輪上連接一個加載軸模擬半軸，使加載軸以一定初速度旋轉，以模擬汽車運動過程中半軸帶動輪轂轉動的運動過程，并在加載軸末端施加一個沿軸徑方向的作用力，以模擬汽車在轉彎或爬坡過程中所受的彎矩，這樣使仿真分析更接近于實際生活中汽車的運動和受力狀況[5]。

2.1 模型設計與材料屬性設定

進行仿真分析的輪轂型號為 18×7.5J，輪轂所用材料為鋁合金A356，它的優點是質量輕，強度高，便于加工[6]。加載軸和法蘭材料均為結構鋼[7]。鋁合金A356和結構鋼具體的力學特性如表1所示。由于要對該輪轂進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ANSYS Workbench材料庫中的general material選擇最普通的鋁合金材料，然后在此基礎上修改它的力學特性，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 仿真材料力學特性表

圖1 鋁合金疲勞壽命曲線

2.2 網格劃分

網格是進行ANSYS仿真分析的關鍵步驟，用來劃分輪轂的網格尺寸設置為10mm，加載軸以及其他部件網格尺存設置為20mm，由于輪轂形狀較為復雜，選取劃分網格方法為自動劃分法（Automatic Method），最后共獲得了182926個網格和95710個節點。

2.3 設置接觸方式

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

2.4 施加約束和載荷

2.4.1 約束設置

由于在輪轂彎矩實驗中，輪輞外側被試驗臺完全固定，故在固定于臺架的輪輞一側施加完全約束（Fix support），輪轂螺栓可繞加載軸旋轉，故僅保留繞加載軸的轉動自由度。

2.4.2 載荷施加

汽車在行駛過程中，車輪受到的彎矩計算方法如下：

式中：

μ——輪胎與地面摩擦系數，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——實驗強化系數，取1.6。

依據國標GB/T 2978-2008，選用的輪胎規格為225/60 R18 LT，輪胎的靜載負荷半徑為0.334m，將以上數據代入公式（1）可以求得車輪所受實驗彎矩為3068.64N·m，而為了方便計算，選取加載軸長度為1m，此時可以求得在加載軸末段應施加的力為3068.64N，即在加載軸末端施加3068.64N的作用力，即可產生等效的彎矩。

2.5 設置求解內容

在后處理中添加，等效應變（Equivalent strain），方向位移，根據實驗的標準，輪轂疲勞試驗一般要求往復作用105次以上，可在疲勞工具中插入Damage ，設置設計次數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果

完成仿真的約束以及加載設置后，通過ANSYS Work-bench 進行模擬分析和后處理，得到輪轂在周期性旋轉彎矩作用下的各項結果云圖如下，圖2、圖3為輪轂的變形和所受應力情況，圖4為輪轂通過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，因為施加的力也是沿Y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渡位置，最大位移為1.0285mm，由圖3可以看出輪轂在旋轉彎曲載荷作用下的應力分布狀況，在中心圓盤的螺栓孔以及各個輪輻所受應力比較大，隨著離中心圓盤距離漸遠，所受應力逐漸減小，最大的應力為448.58MPa。由圖4可以看出輪轂的輪輞的壽命最大可達到108大于設定的106，但輪輻邊緣以及中心圓盤附近有應力集中現象，導致壽命偏低，要適度改變形狀強化這些部位，才能提高輪轂壽命。

圖4 輪轂等效應力

圖5 輪轂彎曲疲勞壽命

4 結論

通過對鋁合金A356輪轂的建模和仿真，得到了輪轂的位移和應力分布云圖，分析發現在中心圓盤的螺栓孔以及各個輪輻所受應力比較大，隨著離中心圓盤距離漸遠，所受應力逐漸減小，所受最大應力位于螺栓孔附近。通過ANSYS Workbench中的疲勞工具，得到了壽命分布云圖，對輪轂受到彎曲扭矩后的疲勞損傷進行科學直觀的展示，提高了設計和檢驗效率。輪轂設計人員提供了技術支持，指出了設計方向。