弯曲工况下车轮强度、疲劳分析方法对比

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