铝合金车轮冲击试验有限元分析

王建军路长国

1、江苏省南通技师学院　2、江苏省南通职业大学

铝合金车轮冲击试验有限元分析

王建军1路长国2

1、江苏省南通技师学院2、江苏省南通职业大学

本文主要讨论了铝合金车轮冲击试验有限元分析的相关内容，通过对车轮进行试验，分析有限元分析的可靠性。先讨论了车轮结构有限元分析的相关内容，包括车轮结构静态的有限元分析、基于有限元分析的结构设计等，并对车轮弯曲疲劳试验有限元分析的具体内容进行讨论。

铝合金车轮；冲击试验，有限元分析

随着人们生活水平不断提高，车作为一种重要的代步工具而走入平常百姓家庭，并在提高居民生活质量中发挥着重要作用。车轮是车辆行驶系统中的重要组成部分，其设计性能对车辆运行产生重要影响。为保证车轮强度、抗疲劳指数等满足国家相关标准，需要对铝合金车轮进行相应的冲击试验，以及时收集铝合金车轮的基本参数。在传统车轮设计中，主要依靠设计人员自身经验展开设计，其中存在盲目性大、设计周期长等问题，需要进一步优化试验内容。本文将以此为背景，对铝合金车轮冲击试验有限元分析的相关内容进行讨论。

1　车轮结构有限元分析基本内容

1.1车轮结构静态有限元分析

车轮是车辆行驶系统中的重要组成部分，其力学性能对车辆行驶安全产生重要影响，一般在铝合金车轮功能测试中，其试验内容主要包括台架测试、整车测试等多个内容。以某车轮为例，在三方面的性能测试试验中，分别对其进行静态线弹性有限元分析。考虑到铝合金车轮通常以辐条式结构存在，其各个部位所呈现的曲面内容具有复杂性。因此若采用传统的六面体网格结构对其进行分析，则其难度较大；为保证其检测结果的科学性，可以通过十节点四面单元进行离散。在试验过程中，其静态弹性有限元分析时相关材料的性能如表1所示。

表1　材料属性统计表

而一般情况下，为进一步认识车辆结构静态有限元分析的相关内容，除了要确认车轮相关材料的基本属性外，还需要认识到径向载荷疲劳试验的基本参数，这是需要得到相关工作人员重视的。

1.2弯曲疲劳试验有限元分析

根据目前所认知的车轮弯曲疲劳试验的基本原理，在开展弯曲疲劳试验有限元分析过程中，需要对其边界条件进行测试，其相关标准为：①考虑到车轮内轮边缘部分在测试过程中是被固定的，因此需要对其边缘施加全约束力，使其自由度被约束；②车轮承受的弯矩主要通过安装盘施加，因此在分析过程中需要在结构上设置安装盘。

同时，为保证模拟试验的科学性，载荷通过数据面施加荷载时，需要正确认识到载荷对冲击效果的影响，需要按照正弦函数分布的相关内容确定科学的载荷数值，其计算公式为：

在上述公式中，q—载荷数值；M—试验弯矩荷载；r—加载轴半径，可取标准值为50mm；b—宽度为20mm圆弧面，取值为20mm；L—加载轴长度与安装盘厚度之间的和。

2　基于有限元分析的铝合金车轮冲击试验

2.1有限元原理的具体应用分析

2.1.1有限元原理简介

有限元原理于20世纪40年代被提出，用来计算扭转问题的近似数值解。经过长期发展，有限元分析法的应用领域被进一步拓宽，通过建立有限元方程式，重视非协调单元法及杂交单元法的运用，以解决现实问题。

2.1.2有限元分析应用要点

在应用有限元分析方法中，需要重视以下几方面内容：①从应用过程中可知，在有限元分析中的单元划分中，所分析的单元越多，所得到的结果精度则越高。在振型、固有频率计算中，需要正确认识到网络划分的特点，适当提高网格宽度，以降低操作难度。②为进一步简化单元数目，需要在原有单元结构的基础上，充分认识到结构特点条件下的网格划分要求。对于边界较为曲折、应力条件集中的位置，要适当减少单元格，确保在计算过程中能得到精准单元格数据。

2.2弯曲试验

2.2.1系数分析

弯曲试验的关键，就是使车轮承受一个旋转弯矩，模拟车轮在行驶过程中所承受的弯矩负荷。考虑到本次研究中车轮的主要材料为铝合金，因此在试验中需要以SAEJ328标准展开分析，根据样轮大小与安全系数，确定循环试验频繁次数，其具体计算公式为：

M=W（R×μ+d）×S

在上述公式中，M代表试验弯矩；W代表车轮所承受的荷载量，其单位为N；R代表最大装胎的半径（静荷载半径），其单位为mm；μ代表地面与车轮之间的摩擦系数，一般情况下μ取值为7.0；d代表车轮偏距绝对值，其单位为mm；S代表安全系数，主要受到相关标准影响。

2.2.2试验评判标准

当出现以下现象时，则可以判断试验终结或失败：①当载荷达到试验标准时，车轮偏差大于20%；②在最小循环测试后，车轮任何部位出现损伤；③在达到最小循环次数前，加载点偏移量大于初始加载偏移量的20%；④在达到最小循环次数时，一个或多个螺栓预紧力下降到原始数据的60%。

2.3荷载条件下的有限元分析

在车轮动态弯曲疲劳试验中，车轮可能受到三方面作用力的影响，主要表现为：①车轮主要依靠螺栓固定，因此在受力分析中，车轮的PCD孔周围会受到螺栓预紧力的影响；②旋转是试验的主要方式，且施加在轴上力的方向、大小是不变的，因此在试验过程中会受到离心力影响；③弯矩作用影响车轮的疲劳寿命，也是需要重视的影响因素。

采用I-DEAS软件完成有限元分析中模型建立、计算等工作。

在试验分析中，需要根据车轮与加载轴的实例模型，真实还原弯曲试验条件，通过在安装盘处施加力臂（力臂直径与安装盘直径相等），取力臂直径为1000mm，现在力臂前段施加载荷，考虑到螺栓孔位置与辐条位置分布不均匀，因此在车轮旋转一周后，其各个位置所产生的应力也存在明显差异。为进一步确认最大应力值，需要根据产品辐条与窗口数量将其划分为两个方向，并开展不同方向的载荷计算，确定最大应力值。

2.4结果分析

分别采用额定弯曲疲劳试验与超载荷弯曲疲劳试验开展有限元分析，其相关数据结果如表2所示。

表2　弯曲试验数据统计表

3　冲击试验

3.1车轮冲击试验模态分析

在车轮冲击试验模态分析中，主要根据当前工程振动处理中最长用的两种模态分析方法，其基本理论为：

mx1+cx2+kx3=f（t）

在上述公式中，m代表质量，c代表粘性阻尼，k代表刚度矩阵；x1代表系统加速度，x2代表系统速度，x3代表位移向量等；f（t）代表外作用力。

3.2建立模型

车轮冲击试验的关键是在装有轮胎的车轮上施加冲击力，进而模拟车辆在行驶过程中所承受的路面冲击。在对模型施加冲击条件时，需要按照相应的试验装置开展试验，固定车轮5个螺栓孔，并控制其自由度，固定安装面与安装盘。在本次研究中，采用13°模拟冲击试验，对试验进行分析。

考虑到冲头初始位置与其他初始条件设置的相关内容，在有限元分析中，为进一步缩短分析时间，可以将自由下落冲头的初始位置直接定义到与轮胎相接触的时刻。此时，冲头与轮胎间设置10ms间隙。以冲头与轮胎接触前10ms为有限元分析的起始时刻，设定压力从0MPa逐渐增长到0.2MPa（增长时间为10ms）。由于冲击速度较低，需要考虑重立场因素的影响。

3.3试验结果统计

在获得13°模拟冲击试验模型后，采用LS-DYNA开展有限元计算求解。

通过试验确定各车轮轮辐上的变幅情况，在开展仿真结果评价中，主要依靠在辐板表面节点间设置梁单元确定应变值。考虑到在有限元模型中难以直接确定应变的实际数值，因此，结果分析中需要确定应变片的定义数据与同向梁单元模拟应变片，并对其进行梁单元设置。

3.4结果分析

对车轮进行冲击试验有限元分析，冲击试验的相关数值如表3所示。

表3　冲击试验相关数值统计表

根据表3的相关内容开展冲击试验有限元分析，获得最大应力值，其相关数据如表4所示。

表4　冲击试验结果最大应力

4　结束语

本文主要讨论了铝合金车轮冲击试验有限元分析的相关内容，并通过分别建立弯曲疲劳试验模型与冲击试验模型，对不同状态下铝合金车轮的载荷等情况进行分析，得出结论：①为保证分析结果的实用性，需要在正确认识线性弹性有限元分析理论的基础上，正确开展车轮结构检测，并控制车轮材料整体强度。②在当前有限元分析中，存在多种先进技术，能有效满足其质量控制的需求，具有良好的应用价值。③在分析中需要正确认识到13°冲击试验下的动态与静态效果，进一步提高有限元分析结果。

综上所示，有限元分析在铝合金车轮冲击试验中的效果明显，能为未来铝合金车轮制造提供理论基础，应该在更大范围内进行推广。

［1］谢暴，周丽萍，刘艳华.汽车铝合金车轮的有限元分析［J］.安徽职业技术学院学报，2009，8（03）：15-18.

［2］闫胜昝，童水光，朱训明.铝合金车轮冲击试验有限元分析［J］.水利电力机械，2007（08）：24-25.

［3］王霄锋.基于动态弯曲疲劳试验的汽车车轮有限元分析［J］.拖拉机与农用运输车，2007（01）：45-47.

王建军，1964年出生，江苏南通人，高级讲师，研究方向：技工院校教学管理，技工院校机电类专业教学。