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弯曲工况下车轮强度、疲劳分析方法对比
卢晨霞 王朋波
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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。

(图片)

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。

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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

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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(图片)。其中,M为试验弯矩载荷,L为加载轴长度,t为加载时间。

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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

(图片)

(图片)

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。

(图片)

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。

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图6 弯曲工况下疲劳寿命云图

3.3分析结果汇总

(图片)

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 4/11/2014


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