基于ANSYS Workbench的赛车车轮疲劳仿真分析

夏衍　陈双贺　田朔源　杨帆　修浩然

摘 要：赛车车轮是车辆承载的重要安全部件，行驶过程中，赛车车轮承受来自路面不同幅值、不同频率的激励除受垂直力外，还受因车辆起动、制动时扭矩的作用，转弯、冲击等来自多方向的不规则受力。高速旋转的车轮直接影响车辆的平稳性和操纵性。文章以Wonder7号铝合金车轮为研究对象，在CATIA中建立赛车车轮的三维模型，并导入到ANSYS Workbench软件中生成轮辋和轮辐的几何模型。根据计算极限工况下，对wonder7号车轮进行受力分析，并对车轮的受力载荷进行确定。建立車轮的有限元模型并进行有限元分析。为预测车轮的疲劳寿命，用Ansys中的Fatigue模块对车轮进行疲劳寿命分析，预测车轮疲劳破坏位置和使用寿命，对设计人员起了指导意义。关键词：车轮设计;ANSYS分析;寿命预测中图分类号：U463.34  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）01-117-03

Abstract： The car wheel is an important safety part of the vehicle load， driving process， the car wheel under the road from different amplitude， different frequency of the excitation in addition to the vertical force， but also by the vehicle starting， braking torque， turning， impact from multiple directions of irregular stress. The high speed rotating wheel directly affects the vehicle's stability and maneuverability. This paper takes Wonder7 aluminum alloy wheel as the research object， establishes the 3d model of racing wheel in CATIA， and imports it into ANSYS Workbench software to generate the geometric model of rim and spoke. According to the calculation of the limit condition， the stress analysis of wonder7 wheel was carried out， and the stress load of the wheel was determined.The finite element model of wheel is established and analyzed. In order to predict the Fatigue life of the wheel， the Fatigue life of the wheel is analyzed with the Fatigue module of Ansys， and the position and service life of the wheel are predicted.Keywords： Wheel design; ANSYS analysis; Life predictionCLC NO.： U463.34  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）01-117-03

引言

车轮作为赛车上的重要部件，其可靠性与赛车的行驶安全性紧密相关。传统的对车轮疲劳强度的检测方法是通过疲劳强度实验进行车轮的强度分析，而采用有限元分析软件进行分析的方法能够在新产品设计初期分析出车轮的强度和疲劳寿命，大大缩短设计周期。文章以Wonder7号铝合金车轮为研究对象，在CATIA中建立赛车车轮的三维模型，并导入到ANSYS Workbench软件中生成轮辋和轮辐的几何模型。利用该软件对车轮疲劳强度试验进行模拟，得到车轮强度和疲劳寿命的分析结果。

1 铝合金车轮三维模型

比较以往的赛车车轮，在满足FSAE赛车比赛规则，我们对车轮进行优化设计。车轮是在轮胎以及车轴间承受载荷的部件，本文以铝合金材质车轮为研究，铝合金材质车轮重量较轻，惯性阻力小，制作精度高，在高速转动时的变形小，惯性阻力小、有利于提高赛车的直线行驶性能，减轻轮胎滚动阻力，从而减少了油耗。轮辐材料为7075铝，轮辋材料为5454铝。

3 ANSYS分析过程

将CATIA软件绘制的车轮三维模型导入ANSYS Workbench软件中生成轮毂、轮辐和轮辋的几何模型。根据模型的简化原则，对轮辋作出了如下简化处理：对焊接和螺栓连接部分采用了绑定连接方式，轮辋与轮辋连接的方式选择Workbench连接关系中的摩擦副（friction）。由于本次分析主要关心轮辋关键零件的强度问题。

3.1 约束以及加载

在Workbench中对装配体进行分析，首先对轮辋与轮胎接触面进行绑定约束;对轮毂安装轴承面施加切向力（force3）和径向力（force）;对轮毂端面施加压力（force2）;对轮毂螺栓施加螺栓预紧力（bolt pretension）;对轮辐与轮毂螺栓接触面施加制动力矩（moment），具体如下图1。

3.2 网格划分步骤

进行网格的整体设置，模型整体选择四面体法中的Patch Conforming 法进行网格的整体划分，有轮辋的体积远超轮辐与轮毂，因此控制轮辋的网格单元尺寸 element size为4mm，控制轮辐与轮毂的网格单元尺寸 element size为2mm。为了提高网格的质量，对网格参数进行设置，将Relevance 提升到100，Transition改为slow，Span Angle Center改为fine， Smoothing改为high。网格划分完毕，如图所示，模型总共包括491070个节点，293897个单元。

3.3 Ansys分析結果

分析结果：车轮轮辋在极限载荷的作用在轮辐位置时的应力分布情况，从应力分布的结果上得到，在极限工况下最大应力值出现的地方是轮毂螺栓与轮辐和轮辋连接部分的中间位置，最大应力值为187.6Mpa，小于铝合金7075的屈服强度。最大应变值为0.0026055mm。

4 轮辐疲劳分析仿真

由于疲劳分析是对静力学分析应力结果的进一步计算，所以必须对几何模型进行预处理，避免静力学分析出现应力奇异解。分析载荷工况，建立合理的载荷环境。求解并根据选择的疲劳分析方法来选择后处理输出类型，并根据实际工作需要设计好零件寿命，在简单循环应力载荷谱的默认情况下，寿命的计算单位为cycles，为一次应力循环。

4.1 S-N曲线的确认

据相关资料统计，车轮的疲劳破坏处主要发生在轮辐处，所以只对轮辐进行疲劳预测，轮辐的抗拉强度极限（Su）值为575MPa，则有：S6=Se≈0.5Su= 287.5MPa，S9=0.9Su= 517.5Mpa。

由公式：lgN=a+blgσ即可计算出相应点出的S—N值。式中，N-循环次数，a、b—系数，σ—应力值。把N=106时σ=287.5，N=109时σ=517.5带公式6.3计算得：a= 33.32012， b=-11.75226。即得公式：lgN=33.32012-11.752261gσ取18个点来绘制S-N曲线，如图2所示。

4.2 疲劳预测结果

4.2.1 制动工况仿真结果

根据上面提供的载荷信息与材料信息，通过Fatigue 模块进行计算，如图所示。从仿真结果可以知道，在直线制动工况下，轮辐的疲劳危险点在轮毂螺栓与轮辐和轮辋连接部分的中间位置，其最小的疲劳寿命为1.337E10次循环，除了图中显示的红色、黄色部分，其他地方的寿命都接近无限大，大于设计要求，如图3所示。

4.2.2 转向工况仿真结果

仿真结果可以知道，在转向工况下，轮辐的疲劳危险点同样也出现在轮毂螺栓与轮辐和轮辋连接部分的中间位置，其最小的疲劳寿命为3.647E10次循环，除了图中显示的红色、黄色部分，其他地方的寿命亦都接近无限大，符合设计要求，如图4 所示。

本文通过对车轮进行了静强度有限元分析，得到了在模拟极限疲劳试验下的应力分布图以及它们在车轮上的位置，还对车轮作了极限工况下疲劳寿命的分析。现将分析研究结论归纳如下：

（1）从有限元分析所获得的应力云图可以清晰地看到车轮在极限载荷下的最大应力为187.6MPa，小于铝合金材料的最大许用应力，因此车轮是足够安全的。最大应力位于轮毂螺栓与轮辐和轮辋连接部分的中间位置，由此可以推断车轮在工作时这两部分最容易产生疲劳裂纹。

（2）采用ANSYS workbench对车轮在极限载荷作用下的寿命进行预测，得到的结果为3.647E10万次，采用名义应力法所得到疲劳寿命为7.67 E10次，说明了疲劳寿命预测方法的准确性。

（3）在对车轮设计时，应当注重与轮辐相连的螺母座处及轮辐靠近中心圆孔处与轮辐相连的螺母座处的设计，这两个部位设计的好坏，将直接影响车轮的疲劳寿命。

参考文献

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