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。為了保證它的安全,國家對它出廠前需要通過的試驗進行了規定,分別為動態彎曲疲勞試驗、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,將模擬分析結果作為設計的初始條件,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為重要。
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,為了對車輪施加彎矩,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 為 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為基礎進行疲勞分析。
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。為了對車輪施加彎曲,可以在軸的末端施加一個平行於車輪安裝面的載荷 F,大小為F=M/L, 其中 L 為力臂長,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為基礎進行疲勞分析,發現輪轂的最低壽命為 5×105次,輪輻輻板拐角處最容易發生疲勞破壞,所得數據為輪轂結構的改進和優化提供了依據。
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