弯曲工况下车轮强度、疲劳分析方法对比

mizhongquan

　　车轮主要由轮辋和轮辐组成。轮辋是支撑轮胎的基座，轮辐是作为车轮和车轮轮毂的连接件，主要起传递载荷（垂直力、侧向力和切向力转矩）的作用[1]。轮辋与轮辐焊接后与轮胎组成一个整体，共同承受汽车的重力、制动力、驱动力、汽车转向时产生的侧向力及所产生的力矩，还要承受路面不平产生的冲击力。车轮工作条件严酷，其质量直接影响汽车行驶过程的安全性，因此，应有一定的强度、刚度和工作耐久性能。
　　在汽车车轮的实际使用过程中，80%以上的车轮破坏是由疲劳破坏引起的，而在衡量疲劳性能的径向疲劳试验中，又以弯曲疲劳失效率最高。国外建立了JWL、DOT和ISO等相关车轮弯曲疲劳试验标准，这些标准都是模拟车轮在弯矩作用下的受载情况。我国GB/T 5334-2005乘用车车轮性能要求和试验方法对于乘用车车轮的试验方法进行了规定。该试验是使车轮在一个固定不变的弯矩下旋转，或是车轮静止不动承受一旋转弯矩，以车轮不能继续承受载荷（如结构失稳）和出现侵入车轮断面的可见疲劳裂纹为失效标准。
　　本文利用5种建模方式对车轮进行离散，对弯曲工况车轮的强度与疲劳分析结果进行对比，寻找简单且结果准确的建模方式。
　　1  模型描述
　　本文利用HyperMesh软件分别采用以下五种方式进行建模 。
　　1.1模型1（壳单元离散，不考虑接触与预紧力）
　　轮辋、轮辐与焊缝均使用壳单元模拟，总装件的螺栓连接与加载轴均用KINCOUP刚性单元模拟，加载圆盘使用B31模拟，如图1所示。
　　1.2模型2 （体单元离散，不考虑接触与预紧力）
　　轮辋、轮辐、焊缝使用实体单元模拟，总装件的螺栓连接与加载轴均用KINCOUP刚性单元模拟，加载圆盘使用B31模拟，如图1所示。
　　

　　图1  未考虑预紧力的车轮有限元模型
　　1.3模型3（壳单元离散，考虑预紧力，接触对模拟接触）  
　　轮辋、轮辐与焊缝均使用壳单元模拟，总装件的螺栓连接与加载轴均用KINCOUP刚性单元模拟，加载圆盘使用实体单元模拟，加载圆盘利用KINCOUP单元与B31单元连接到车轮上， 利用接触对模拟加载圆盘与轮辐安装平面的接触，如图2所示。
　　1.4模型4（壳单元离散，考虑预紧力，GAPUNI模拟接触）  
　　轮辋、轮辐与焊缝均使用壳单元模拟，总装件的螺栓连接与加载轴均用KINCOUP刚性单元模拟，加载圆盘使用实体单元模拟，加载圆盘用KINCOUP单元与B31单元连接到车轮上。利用DCOUP3D-GAPUNI模拟加载圆盘与轮辐安装平面的接触，如图2所示。
　　1.5模型5（体单元离散，考虑预紧力，GAPUNI模拟接触）
　　轮辋、轮辐、焊缝、连接件使用实体单元模拟，总装件的螺栓连接与加载轴均用KINCOUP刚性单元模拟，加载圆盘用KINCOUP单元与B31单元连接到车轮上。
　　利用DCOUP3D-GAPUNI模拟加载圆盘与轮辐安装平面的接触，如图2所示。
　　

　　图2  考虑预紧力的车轮有限元模型
　　1.6材料参数
　　轮辐、轮辋的材料参数如下表1所示
　　表1 车轮材料参数表
　　

　　2  边界条件
　　2.1模型1、2弯曲工况强度分析边界条件
　　根据车轮弯曲疲劳试验的工作原理 [2]，因为车轮内轮辋边缘部分被试验台夹具压紧固定，不能旋转和移动，所以对内轮辋边缘施加全约束，即六个自由苏全部被约束。车轮承受的弯矩是通过加载轴施加的，在加载轴的自由端施加沿y、z方向施加随时间变化的两个力，该力的大小等于车轮试验弯矩除以加载轴的长度
　　

　　。其中，M为试验弯矩载荷，L为加载轴长度，t为加载时间。
　　

　　图3  模型1、2弯曲工况分析边界条件
　　2.2模型3、4、5弯曲工况强度分析边界条件
　　约束车轮内侧边缘6个方向的自由度[2]，在连接件与轮辐之间的5个螺栓上施加预紧力Fp=T/kd，其中T为螺栓的拧紧扭矩，k为汽车常用拧紧扭矩系数，d为螺栓的螺纹直径。在加载轴的自由端沿y、z方向施加随时间变化的两个载荷
　　

　　

　　图4  模型3、4、5弯曲工况分析边界条件
　　2.3弯曲工况疲劳分析边界条件
　　模拟车轮回转弯曲疲劳试验，计算车轮回转弯曲疲劳寿命，螺栓安装孔附近应力集中比较严重，最大Von Mises应力超过材料屈服强度。车轮实际安装状态下安装孔附近一般不具强度风险，故不对此处静强度及疲劳寿命做重点考察。
　　3  分析结果
　　3.1强度分析结果
　　考察螺栓孔附近、轮辐拉伸位置、通风孔附近的von Mises应力，如下图5所示。
　　

　　图5  弯曲工况下应力云图
　　3.2疲劳分析结果
　　考察轮辐拉伸位置、通风孔附近的疲劳寿命如下图6所示。
　　

　　图6  弯曲工况下疲劳寿命云图
　　3.3分析结果汇总
　　

　　4  分析结果
　　对比模型1与模型2、模型4与模型5的分析结果，实体和壳两种离散方式，车轮轮辐拉伸位置与通风孔附近，实体离散方式应力低于壳。可知，由于实体单元（减缩积分单元）在厚度方向上仅有3层，分析结果不精确，故应采取壳单元对车轮进行离散。
　　对比模型3与模型4结果，接触对和GAPUNI单元两种接触模拟方法，二者在轮辐拉伸位置应力均为350.7MPa，超过屈服极限350MPa，二者等效塑性应变略有不同，仅相差0.003%，寿命分别为14170次与17600次。
　　利用接触对与GAPUNI单元两种接触模拟方法，计算结果相差不大，利用GAPUNI单元模拟接触建模简单，易收敛，故推荐使用GAPUNI单元模拟接触。
　　对比模型1与模型4结果，对于壳单元，考虑预紧力与接触时，螺栓安装面（接触位置）应力与等效塑性应变明显降低。可知，考虑预紧力与接触时，避免了建模引起的螺栓安装面处的应力集中。
　　5  结论
　　本文采用HyperMesh软件对车轮利用5种建模方式进行离散，在弯曲工况下进行强度分析和疲劳分析，研究对比了分别用壳单元与体单元离散车轮，在螺栓安装面是否模拟预紧力与接触，接触模拟方式不同（接触对与GAPUNI单元）时，车轮的强度与疲劳分析结果，可知采用模型4的方法（壳单元离散，考虑预紧力，用GAPUNI模拟接触）强度、疲劳分析结果最为准确，且此方法使用壳单元建模简单，GAPUNI单元相比接触对建模简单，分析易收敛，考虑螺栓预紧力，能正确模拟车轮弯曲试验工况的受力状态，保证了结果的精确度。
　　参考文献
　　[1]徐石安.汽车构造-底盘工程[M]. 北京：清华大学出版社，2011:244-248.
　　[2]乘用车车轮性能要求和试验方法. GB/T 5334-2005(end)
　　

20130227

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