铝合金车轮双轴疲劳寿命有限元分析

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胡金华1 张芳芳1朱志华2 李宝华2 郎玉玲2 阿拉腾2 李昌海

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（1）燕山大学 河北 066004

（2）中信戴卡轮毂制造股份有限公司 河北 066004

摘 要：首先介绍了车轮双轴试验基本情况。其次简要介绍了车轮双轴试验有限元建模及疲劳寿命分析的基本过程。最后以860车轮为例，对铝合金车轮双轴疲劳试验进行了有限元疲劳寿命分析。

1 1 前言前言前言

车轮是汽车的一个重要部件，它对汽车的行驶安全性、稳定性、平顺性和牵引性有重要的作用，对能源的消耗、轮胎的寿命和驾驶员的劳动强度都有较大的影响。车轮的设计与开发需要较高的工程经验与分析水平。新设计的轿车车轮必须通过一系列的台架试验才能批量生产。目前轿车车轮台架试验主要包括弯曲疲劳试验、径向疲劳试验、冲击强度试验和双轴疲劳试验。

由于车轮工作在随机载荷之下，所以在其研制当中最关心的问题之一就是车轮的疲劳寿命，即保证车轮在使用寿命期间内不发生疲劳破坏。早期的车轮疲劳试验包括弯曲疲劳试验和径向疲劳试验。2000年，赵桂范等[1]给出了用改进的史密斯公式对车轮的疲劳寿命进行预测的计算方法。2002年，崔胜民和杨占春[2]提出了用名义应力法和局部应力应变法对车轮的疲劳寿命进行预测。王波和管迪华给出了对钢质车轮多轴疲劳寿命的预测方法。1999年，张红桩[3]在本文作者的指导下，以三维设计软件UG 和有限元分析软件ANSYS 为工具，将车轮的设计与疲劳寿命预测结合起来，建立了车轮弯曲疲劳的CAE 平台，此平台能够较可靠地预测出轮辐破坏的车轮的弯曲疲劳寿命，但是由于没有考虑各元件间的接触关系及螺栓预紧力的影响，所以不能准确地计算出法兰盘及螺栓孔附近的应力分布情况，因而对法兰盘处破坏的车轮无能为力。2000年，周荣等[4]针对钢制车轮的弯曲疲劳试验，建立了车轮弯曲疲劳试验的计算机仿真系统。此系统是以有限元分析为基础的疲劳寿命估算系统，该系统由有限元分析程序、接口程序和疲劳寿命估算程序三部分组成，给出了以有限元分析结果与名义应力法和局部应力应变法相结合对钢制车轮弯曲疲劳寿命进行预测的方法。2005年，本课题组的张国智[5]初步建立了轿车铝车轮的弯曲疲劳寿命预测、径向疲劳寿命预测和冲击强度分析的有限元模型。但是张国智[5]仅仅进行了弯曲和径向模型的有限元分析，没有进行实际意义上的疲劳分析。另外，冲击有限元分析没有针对不同类型的车轮系统地总结断裂失效准则。还需要进一步的研究总结。2007年，孙红梅[6]在本文作者指导下建立了可综合考虑轮辋刚度、弯曲应力以及车轮振动模态的基于约束变尺度优化算法的轿车车轮结构优化设计模型。该文对轿车车轮优化设计进行了有益的探索。2008年，本文作者建立了铝合金车轮冲击强度有限元分析模型并成功应用于中信戴卡公司。2009年，Mehnet[7]基于局部应变法和线弹性有限元分析对车轮径向疲劳试验进行了有限元建模。2009年，Ramanurty Raju, P. [8] 基于有限元法对

铝合金车轮弯曲疲劳寿命进行了预测，并与疲劳实验结果进行了对比，发现实验寿命与计算寿命之间有较大的差距。这就要求对于不同类型的车轮，确定相应的弯曲疲劳寿命的判断准则。这样的判断准则需要通过大量的试验得到。对于其它台架试验也存在这样的问题。由此可见确定车轮台架试验判断准则的难度。

2 2 车轮车轮车轮双轴疲劳试验双轴疲劳试验双轴疲劳试验简介简介简介

车轮双轴疲劳试验是车轮耐久性强度试验的新方法，代表了车轮安全性试验的发展方向。该试验全面考虑车轮的复杂装配状态、循环应力分布以及车辆道路工况，不但能够对已有的产品进行性能试验和评估，同时还为新车轮的轻量化设计提供了有效的参考数据。

双轴试验通过模拟测试轨道对整个轮轴组的结构耐久性进行测试。车辆的全部寿命(对于轿车是30万公里，对于卡车是100万公里)可以在不到两周时间内通过双轴试验再现。这样就允许对车轮的设计、材料、制造工艺和联结技术进行优化。

图1为车轮双轴疲劳试验示意图[9]。带轮胎的车轮倾斜一定的角度被压向滚筒。滚筒以一定的速度旋转并带动车轮转动。在试验过程中，车轮在每一种姿态下旋转一定的时间，施加在车轮上的力也随之变化。实际车轮载荷谱为基本载荷谱的组合，一般由37~99种载荷工况组成。一种典型的载荷工况为F z =9.51KN ，F y =-3.00KN ，车轮倾角=4.05度，转动时间=22.97s ，车轮转速=105公里/小时。一次双轴循环对应车轮行驶路程为30公里。车轮通过双轴试验的基本寿命要求是三个同款车轮转动7500公里均无可见裂纹，然后继续工作至10000公里要求至少有两个车轮无可见裂纹。

目前世界上约有50 多台车轮双轴疲劳试验机，均为一些著名的汽车厂、车轮厂和车轮试验室所拥有；国内还没有使用双轴疲劳试验机的试验室。新型车轮进入欧洲市场必须通过双轴试验，然而双轴试验机以及双轴试验费用昂贵。进口一台双轴试验机价格约为750万人民币（不含关税），做一次双轴疲劳试验的费用为20万元人民币。

因此，十分有必要研究建立双轴虚拟试验系统并确定车轮双轴虚拟试验判断准则。建立了车轮双轴虚拟试验系统并确定车轮双轴虚拟试验判断准则，就可以提高新设计车轮一次性通过双轴试验的成功率甚至最终取代双轴试验，节省双轴试验费用，缩短新产品上市周期，提高企业的竞争力。因此，该研究具有重大的经济价值和实际应用前景。

图1 车轮双轴疲劳试验示意图[9]

滚筒

车轮

3 3 车轮双轴疲劳试验有限元建模过程简介车轮双轴疲劳试验有限元建模过程简介车轮双轴疲劳试验有限元建模过程简介

首先基于CAD 建模软件建立车轮及轮胎模型，其次将几何模型读入有限元软件。在有限元分析软件中进行必要的设置，具体包括材料定义、划分有限元网格、定义分析类型、施加边界条件及37个工况的载荷条件并进行有限元计算。然后将有限元分析结果读入疲劳分析软件。在疲劳分析软件中还需要读入载荷谱数据文件并定义S-N 曲线。最后进行疲劳寿命分析。疲劳寿命分析完成之后可由有限元软件读入并考察计算结果。

4 原始860车轮双轴疲劳寿命有限元分析车轮双轴疲劳寿命有限元分析

原始860车轮质量为9.646Kg ，其几何模型如图2所示。

图2 原始860车轮

该车轮背面最小寿命对数值为2.413，相对应路程为7764公里，最小值位置如图3中红点所示。图4白色圆圈显示了双轴实验疲劳裂纹出现位置。对比图3及图4可见，这两个位置基本一致。

图3 原860车轮轮辐背面疲劳寿命对数分布图 图4 原860双轴疲劳试验裂纹位置图