汽车车轮动态弯曲疲劳试验的有限元模拟论文
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 0.5 m 到 1.04 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 0.6 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
3.1 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=0.6 m,所以 F=5 880 N。
3.2 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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