交通运输——铝合金轮辋冲击试验仿真验证平台建设

铝合金轮辋冲击试验仿真铝合金轮辋冲击试验仿真验证平台建设验证平台建设 孟祥杰 屈新田 朱俊杰 王希诚 周英杰 东风汽车公司技术中心 武汉 430058 摘要摘要 为了减少轮辋通过试验检测性能次数提高轮辋的设计效率 通过建立轮辋冲击试验仿 真验证有效模拟轮辋冲击试验是有必要的 考虑轮辋冲击过程中的静态与动态特性 建立冲头与 轮辋及试验台架的有限元仿真数模 其中试验台架中的橡胶支座采用ABAQUS中的CONNECTOR BEHAVIOR属性模拟其中的弹性与阻尼关系 台架的转动副采用Hinge单元模拟 并通过ABAQUS 软件Explicit模块对轮辋冲击过程进行仿真分析 通过选取多个仿真测试点与冲击试验相应的点 进行比对 两者具有很好的等效性 确认了轮辋冲击试验平台可以通过仿真分析进行替代 该模 拟冲击试验平台对轮辋前期设计具有很好的指导作用与应用价值 关键词关键词 铝合金轮辋 冲击试验 有限元分析 Research of Impact test Method on Aluminum Alloy Rim 1 1 绪论绪论 铝合金车轮作为汽车装配件中重要的安全部件之一 承受着各种工况下的复杂载荷 其对汽 车的安全性 平顺性 经济性及整车外观造型都有重要的意义 因此国内外对车轮设计与制造均 有严格的标准要求 其基础试验包括冲击试验 弯曲 径向疲劳试验等 以此来保障设计车轮的 安全性 冲击试验中的 13 车轮冲击试验是检验车轮抗冲击性能的重要指标 本文以此试验为主 进行研究 此试验是模拟车轮在撞击马路牙子或行驶过程中遭到石头等异物冲击的情况 试验规 定车轮安装台架轴线与冲头下落方向成 13 冲头的落差高度为 230mm 试验标准要求冲击试验 后轮辐各断面均没有出现肉眼可见的穿透裂纹同时轮辐不能从轮辋上剥离 由于在设计新样式车轮时不能一次达标 通常需要反复的修改设计方案与修正模具 依据传 统设计开发周期会很长 随着计算机仿真技术的日趋成熟 使用有限元仿真技术替代车轮前期开 发已成为一种趋势 目前关于弯曲 径向疲劳试验的研究已经比较成熟 1 4 而关于车轮冲击试验 仿真的研究却相对的滞后 RLESNER 等将车轮总成固定 通过最大冲击载荷作为加载力 使用 NASTRAN 软件研究其静载形式下的变形与应力 5 闫胜昝通过分析车轮冲击模态振型与特点 假定冲击载荷满足半正弦函数 使用 I DEAS 软件在该冲击载荷下做动态响应的碰撞分析 以此 来模拟车轮冲击试验过程中车轮受到的力 6 显然上述的分析与轮辋冲击试验存在较大的出入 难于对冲击试验进行有效的预测 本文以轮辋冲击试验中 13 冲击为研究对象 使用 Abaqus Explicit 软件模拟轮辋冲击 首 先建立冲击试验台架有限元模型 通过静力学与动力学响应确认模型的有效性 再将轮辋有限元 模型安装在台架模型上装配成 13 冲击相对应的有限元整体模型 再模拟冲头下落冲击 进行仿 真分析 抓取主要应变点历史曲线与试验对应点的测试结果进行比较 确保整个仿真方法的准确 性与有效性 2 2 创建试验台架有限元数模创建试验台架有限元数模 冲击试验台架数模的准确性直接关系到轮辋冲击仿真的有效性 所以需要对试验台架的准确 性进行必要的检验 根据轮辋冲击试验标准建立 13 冲击试验台架的结构如图 1 所示 图图 1 1 台架实物图台架实物图 试验台架的安装盘 钢板梁及底座通过六面体单元创建模拟 其中材料模型采用钢材料 其 中台架中的橡胶支座的模拟对整个台架仿真模拟准确性具有重要的影响 考虑支座为橡胶材料 在仿真冲击过程中会产生单元大变形进而导致模型不收敛 为此需要将橡胶支座进行简化处理 本文采用 ABAQUS 软件中的 CONNECTOR BEHAVIOR 单元属性模拟橡胶的弹性与阻尼关系 建立两个两节点离散单元模拟橡胶支座 其中用弹性关系表达橡胶静态变形特性 阻尼关系来表 达橡胶的动态阻尼特性 同时为了模拟在冲击过程中台架的上半部在受到冲击时沿着竖直垂向运 动 在台架与橡胶接触的位置处设置刚性面来约束台架与橡胶接触表面 约束参考点除竖直垂向 方向以外的自由度 试验台架的转动副通过 HINGE 单元来模拟 台架的底座固结 整体试验台 架的有限元模型如图 2 所示 图图 2 2 试验台架有限元模型试验台架有限元模型 为了模拟橡胶支座的弹性单元的变形特性 需要对其橡胶材料进行拉伸试验获取材料的力 位移关系 通过橡胶试验拉伸曲线来定义台架的非线性弹性关系 表征试验台架的静态特性 根 据轮辋冲击试验标准 EQC 1532 2007 要求 为了规定轮辋固定台架的刚度 在安装盘中心加 载 1000kg 的力 钢板梁下侧中心位置处的垂直位移为 7 5mm 0 75 如图 3 所示 根据分析结 果 钢板梁中心位置的位移为 7 55mm 如图 4 所示 在 7 5mm 0 75 区间 由此可以确认此试 验台架的静态特性 图图 3 3 校正台架校正台架有限元模型有限元模型 图图 4 4 位移云图位移云图 3 3 创建轮辋冲击试验整体有限元模型及相关设定创建轮辋冲击试验整体有限元模型及相关设定 3 13 1 轮辋有限元模型创建轮辋有限元模型创建 轮辋采用 10 节点四面体单元划分 单元类型采用 C3D4 有限元网格划分如下图 5 所示 材料类型采用 A356 密度为 2 67 103kg m3 弹性模量为 69GPa 泊松比为 0 33 底座 7 5mm 0 75 1000kg 图图 5 5 轮辋模型剖面图轮辋模型剖面图 3 23 2 轮辋与台架装配及相关设定轮辋与台架装配及相关设定 冲击试验包括 0 冲击气门嘴处 和 180 与气门嘴成 180 位置处 两种 本次试验采用 的是冲击 180 建立完轮辋模型与台架有限元模型后 将轮辋与台架装配成冲击试验所需要的 整体模型 试验中轮辋与安装盘是通过螺栓连接的 有限元分析需要将轮辋螺栓孔与安装盘螺栓 孔用刚性单元连接组成一个整体 如图 6 所示 台架的固定是通过全约束底板单元节点的六个自 由度来实现的 为了提过计算效率 将冲头设定在刚好与轮辋与台架整体发生冲击的位置 给定冲头一个初 始速度v 计算如公式 1 v 2gh 1 g 为重力加速度 h 为冲头下降高度 230mm 冲头的重量为 M M 按照标准为 M 0 6W 180kg W 为整车承载重量 完整的轮辋冲击试 验模型如图 7 图图 6 6 轮辋与安装盘刚性连接轮辋与安装盘刚性连接 图图 7 7 轮辋冲击试验整体模型轮辋冲击试验整体模型 刚性连接刚性连接 4 4 仿真结果及试验结果比对仿真结果及试验结果比对 4 1 仿真结果仿真结果 使用 Abaqus Explicit 软件对轮辋冲击试验整体模型进行求解计算 图 8 9 是冲击过程中发 生的应力变形图与位移变形图 冲击仿真过程中共发生 6 7 次往复运动 冲击最大应力出现在第 一次峰值处 0 026S 时间处 最大应力出现位置与冲击断裂位置一致 图图 8 8 冲击过程应力变形图冲击过程应力变形图 图图 9 9 冲击过程冲击过程最大变形图最大变形图 4 2 试验验证试验验证 验证仿真结果的准确性最直接有效的方法就是进行试验验证 冲击试验采用的是电阻应变测 量应变 采用的仪器为 8 通道 CS 1A 动态电阻应变仪及 CDSP 数据采集仪如图 10 所示 图图 1 10 0 动态电阻应变仪及数据采集仪动态电阻应变仪及数据采集仪 由于车轮结构复杂 在试验载荷作用下处于复杂应力状态 其主应力方向未知 因此采取贴 45 应变花测量应力 根据有限元仿真分析结果 选取几个高应力区域作为贴应变片位置 轮辋 正面冲击区域贴四个应变片 A B C 和 D 轮辋背面贴一个应变片 E 和 F 如图 11 12 所示 图图 1 11 1 正面应变片布置正面应变片布置 图图 1 12 2 背面应变片布置背面应变片布置 冲击试验是正对辐条位置进行冲击 设置采样时间为 1S 每个通道的采样频率为 1000HZ 由于冲击时间很短 为避免漏掉数据 先点击开始测量 再对车轮进行冲击试验 4 3 仿真值与试验值对比仿真值与试验值对比 在冲击试验时选取六个测量应变的位置 应变片标点为 A B C D E F 应变片 A 和 E 在冲击时 失效 不能读取数据 通过数据采集仪读取主应变片 B C D 和 F 点数据 测量位置 B C D 点位于 轮辋正面 在冲击时会出现拉伸最大主应变 F 点位于背面出现最小应变 冲击试验测试点与冲 击试验仿真测试点的应变随时间变化曲线图如图 13 所示 TEST CAE 主应变对标准确率在 3 5 以内 表 1 所示 图图 1 13 3 a a B B 点处主应变对比曲线图点处主应变对比曲线图 图图 1 13 3 c c D D 点处主应变对比曲线图点处主应变对比曲线图 A B C D E F 图图 1 13 3 b b C C 点处主应变对比曲线图点处主应变对比曲线图 图图 1 13 3 d d F F 点处主应变对比曲线点处主应变对比曲线 表表 1 主应变主应变 FEA vs Test Strain Gauge Principal Strain Test FEA of Dev B Max Prin Strain 0 0114 0 0118 3 5 C Max Prin Strain 0 0145 0 0150 3 4 D Max Prin Strain 0 0105 0 0103 1 9 F Mini Prin Strain 0 0207 0 0213 2 9 5 5 结论结论 在充分考虑轮辋冲击试验台架静态与动态特性 建立轮辋与台架整体有限元模型 使用非线 性软件 Abaqus Explicit 进行显式求解计算 所获得的冲击仿真结果与试验结果对标偏差在 3 5 以内 说明此种冲击试验仿真方法替代试验是可行的 同时该仿真试验平台可以重复利用 针对不 同的轮辋进行冲击仿真试验 提升了车轮的设计开发效率 参考文献 1 KOCABICAK U FIRAT M A simple approach for multiaxial fatigue damage prediction based on FEM post processing J Materials and Design 2004 25 73 82 2 LI P MAIJER D M LINDLEY T C et al A through process model of the impact of in service loading residual stress and microstructure on the final fatigue life of an A356 automotive wheel J Material Science and Engineering A 2007 460 20 30 3 RAMAMURTY RAJU P SATYANARAYANA B RAMJIK Evaluation of fatigue life of aluminum alloy wheels under radial loads J Engineering Failure Analysis 2007 14 791 800 4 王宵锋 王波 赵震伟等 汽车车轮结构强度分析 J 机械强度 2002 24 1 66 6