汽车车轮动态弯曲疲劳试验的有限元模拟

汽车车轮动态弯曲疲劳试验的有限元模
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汽车车轮是汽车的重要组成部分，承受了来自汽车的全部重量，它的可靠性直接影响汽车的安全行驶以及人的生命安全。

为了保证它的安全，国家对它出厂前需要通过的试验进行了规定，分别为动态弯曲疲劳试验、动态径向疲劳试验和冲击试验。

做这些试验需要轮毂产品和专用设备，增加了成本，同时还延长了产品的设计周期。

近年来，随着NX NASTRAN,ANSYS 等分析软件的发展、应用，通过计算机技术来模拟上述三个实验，将模拟分析结果作为设计的初始条件，可降低设计周期和实验成本，深受汽车企业欢迎。

车轮主要是由轮毂和轮胎组成的，而动态弯曲疲劳试验中只对轮毂进行了考察。

动态弯曲疲劳试验模拟了汽车行驶过程中受到弯曲力矩的情况，并且轮毂发生疲劳破坏的最主要原因就是弯曲疲劳，因此对它的研究显得尤为重要。

1 轮毂的三维建模
轮毂主要是由轮辋和轮辐组成的，轮辋是轮毂上与轮胎接触的部分，文献[1]对它的尺寸做了规定，轮辐是与车轴实施安装连接，支撑轮辋的车轮部分。

轮辐部分是影响轮毂重量和强度的重要部分，它的尺寸和形状没有统一的标准。

轮辐的设计主要是从轮板数量和轮辐形状两个方面考虑，在设计中辐板数量影响轮毂的外观、强度、通风性、加工难易等，常用的有五辐、七辐、八辐、十辐等，而轮辐形状有星型、Y 型、V 型等。

2 动态弯曲疲劳试验
根据国家标准，试验时轮毂承受一个与之相对旋转的弯矩。

本文采用轮毂旋转加载方式如图 2 所示，为了对车轮施加弯矩，以规定的m 到m距离(力臂)处施加一个平行于车轮安装面的力。

本文选用的力臂长L 为m，确定应力最大位置时是让轮毂在一固定不动的弯矩下旋转，从而找出轮毂旋转过程中应力最大的位置，然后以此位置的载荷和约束为基础进行疲劳分析。

3 弯曲疲劳试验有限元模拟
最大应力位置的确定
依据动态弯曲疲劳试验的要求，如图 2 所示，轮毂被紧固在试验装置的面上，装置上的夹具夹紧轮毂
的轮缘，所以在对轮毂施加约束时，应在轴一侧轮辋外缘处施加固定约束，以此来固定它的 6 个自由度。

为了对车轮施加弯曲，可以在轴的末端施加一个平行于车轮安装面的载荷F，大小为F=M/L, 其中L 为力臂长，L= m，所以F=5 880 N。

弯曲疲劳的疲劳分析
当物体受到固定力矩作用时，应力大的区域就是疲劳试验中应力幅值高的区域，而应力幅值较高的区域就是最容易发生疲劳破坏的部位。

本文选用的轮毂是呈轴对称的，它旋转过程中受到一固定弯矩作用，它的最大应力值的疲劳可以近似的代替轮毂的整体疲劳状况，而轮毂旋转过程中应力最大位置是到达轮毂窗口中心线位置，所以此位置的疲劳情况可以近似代替轮毂的整体疲劳情况。

4 结论
依据动态弯曲疲劳试验的国家标准，通过NXNASTRAN 软件模拟了轮毂旋转过程中的应力变化情况，直观的找出了旋转过程中轮毂受到应力最大的位置，并以此位置轮毂受到的载荷和约束为基础进行疲劳分析，发现轮毂的最低寿命为5×105次，轮辐辐板拐角处最容易发生疲劳破坏，所得数据为轮毂结构的改进和优化提供了依据。

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