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车轮强度疲劳分析
长安汽车股份有限公司 闫立志 袁登木 高晓庆 陈启亮
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摘 要：汽车车轮主要承受循环载荷，借助MD.Nastran 及MSC.Fatigue 模拟车轮在循环对称载荷作用下的强度和疲劳，可以有效地指导车轮的设计。
关键词：车轮；强度； 疲劳；MD.Nastran；MSC.Fatigue
1 引言
汽车车轮的功用是支持全车的重量，承受驱动力、制动力、以及地面对车轮的各种力，并通过轮胎与地面的接触而实现汽车的运动。因此车轮的强度疲劳对于整车的正常使用有非常重要的作用，而实际使用中，车轮主要承受径向载荷，也是车轮破坏的主要载荷形式，因此本论文针对车轮在滚动过程中承受径向载荷作用下，车轮强度疲劳分析并进行结构优化。
2 基于Nastran 的汽车车轮循环对称响应分析（SOL109）
本文以某项目开发为例，利用MSC.Nastran 分析车轮，并对危险部位通风孔进行结构改进及优化，得到较优方案，为设计提供参考意见。
2.1 模型文件
本文主要对比不同车轮通风孔结构及位置对车轮强度疲劳的影响，如下是某款车型的车轮结构示意图。

（图片）

图1 车轮结构

方案一为初始设计方案，通风孔直径为Φ 30mm;
方案二为优化方案，是将通风孔沿车轮径向外移4mm；
方案三为优化方案，是将通风孔沿车轮径向外移4mm，同时将通风孔直径扩大到Φ 34mm；
2.2 边界条件与分析方法
本次分析中，约束车轮底面，在距车轮底面中心1.0m 处沿Y 和Z 方向分别施加两个大小相等的载荷。

（图片）

图2 车轮有限元分析模型

为了模拟车轮的旋转，本次分析采用SOL109 进行分析，考虑通过对Y 和Z 方向两个大小相等的载荷分别乘以两条正弦和余弦曲线的方式来实现力的旋转。
2.3 分析结果
本次分析的载荷为每隔9 度输出一个结果，一共产生41 个结果，在后处理软件中将这41个结果进行取大值处理后，输出如图3 所示的应力分布图：

（图片）

图3 车轮分析结果（从左开始依次为方案一、方案二、方案三）

方案一、方案二、方案三在相同的应力梯度下的应力分布可以看出，方案三的效果最好，同时从最大应力数值上也可以得到同样的结论，如下表1 所示。

表1 计算应力结果

（图片）

3 基于fatigue 的汽车车轮疲劳分析
在静力响应结果的基础上对车轮进行疲劳分析，进一步验证方案的效果。如图4 所示为2万次循环载荷作用下的疲劳结果，由于是同一零件，同一种材料，所以和应力结果的分布是一致的，如下图所示：

（图片）

图4 车轮疲劳分析结果（从左开始依次为方案一、方案二、方案三）

但与应力结果相比，从通风孔周围的损伤值来看，其值的梯度更加明显，如表2 所示：

表2 计算损伤结果

（图片）

4 结论
1、通过采用MD NASTRAN 循环对称响应分析（SOL109）,可以对循环对称载荷作用下的零部件进行强度和刚度分析。
2、利用循环对称响应分析结果，导入MSC FATIGUE，可以得到规定循环次数下的损伤值，这样更利于对结果的判断和方案的选择。
参考文献
[1] 新编MD Nastran 有限元实例教程 机械工业出版社，2008. 3/13/2011

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