汽車車輪動態彎曲疲勞試驗的有限元模擬論文

汽車車輪是汽車的重要組成部分，承受了來自汽車的全部重量，它的可靠性直接影響汽車的安全行駛以及人的生命安全。爲了保證它的安全，國家對它出廠前需要通過的試驗進行了規定，分別爲動態彎曲疲勞試驗、動態徑向疲勞試驗和衝擊試驗。做這些試驗需要輪轂產品和專用設備，增加了成本，同時還延長了產品的設計週期。

近年來，隨着 NX NASTRAN,ANSYS 等分析軟件的發展、應用，通過計算機技術來模擬上述三個實驗，將模擬分析結果作爲設計的初始條件，可降低設計週期和實驗成本，深受汽車企業歡迎。車輪主要是由輪轂和輪胎組成的，而動態彎曲疲勞試驗中只對輪轂進行了考察。動態彎曲疲勞試驗模擬了汽車行駛過程中受到彎曲力矩的情況，並且輪轂發生疲勞破壞的最主要原因就是彎曲疲勞，因此對它的研究顯得尤爲重要。

　　1 輪轂的三維建模

輪轂主要是由輪輞和輪輻組成的，輪輞是輪轂上與輪胎接觸的部分，文獻[1]對它的尺寸做了規定，輪輻是與車軸實施安裝連接，支撐輪輞的車輪部分。

輪輻部分是影響輪轂重量和強度的重要部分，它的尺寸和形狀沒有統一的標準。輪輻的設計主要是從輪板數量和輪輻形狀兩個方面考慮，在設計中輻板數量影響輪轂的外觀、強度、通風性、加工難易等，常用的有五輻、七輻、八輻、十輻等，而輪輻形狀有星型、Y 型、V 型等。

　　2 動態彎曲疲勞試驗

根據國家標準，試驗時輪轂承受一個與之相對旋轉的`彎矩。本文采用輪轂旋轉加載方式如圖 2 所示，爲了對車輪施加彎矩，以規定的 0.5 m 到 1.04 m距離(力臂)處施加一個平行於車輪安裝面的力。本文選用的力臂長 L 爲 0.6 m，確定應力最大位置時是讓輪轂在一固定不動的彎矩下旋轉，從而找出輪轂旋轉過程中應力最大的位置，然後以此位置的載荷和約束爲基礎進行疲勞分析。

　　3 彎曲疲勞試驗有限元模擬

3.1 最大應力位置的確定

依據動態彎曲疲勞試驗的要求，如圖 2 所示，輪轂被緊固在試驗裝置的面上，裝置上的夾具夾緊輪轂的輪緣，所以在對輪轂施加約束時，應在軸一側輪輞外緣處施加固定約束，以此來固定它的 6 個自由度。爲了對車輪施加彎曲，可以在軸的末端施加一個平行於車輪安裝面的載荷 F，大小爲F=M/L, 其中 L 爲力臂長，L=0.6 m，所以 F=5 880 N。

3.2 彎曲疲勞的疲勞分析

當物體受到固定力矩作用時，應力大的區域就是疲勞試驗中應力幅值高的區域，而應力幅值較高的區域就是最容易發生疲勞破壞的部位。本文選用的輪轂是呈軸對稱的，它旋轉過程中受到一固定彎矩作用，它的最大應力值的疲勞可以近似的代替輪轂的整體疲勞狀況，而輪轂旋轉過程中應力最大位置是到達輪轂窗口中心線位置，所以此位置的疲勞情況可以近似代替輪轂的整體疲勞情況。

　　4 結 論

依據動態彎曲疲勞試驗的國家標準，通過 NXNASTRAN 軟件模擬了輪轂旋轉過程中的應力變化情況，直觀的找出了旋轉過程中輪轂受到應力最大的位置，並以此位置輪轂受到的載荷和約束爲基礎進行疲勞分析，發現輪轂的最低壽命爲 5×105次，輪輻輻板拐角處最容易發生疲勞破壞，所得數據爲輪轂結構的改進和優化提供了依據。