ABAQUS在钢车轮径向疲劳仿真分析中应用VIP

作者简介 作者简介 朱颀 1984 女 吉林人 硕士 工程师 主要从事整车疲劳耐久分析工作 ABAQUS 在钢车轮径向疲劳仿真分析中应用 朱颀 龙弟德 廖世辉 毛显红 长安汽车工程研究总院 摘要 摘要 本文采用有限元方法对钢车轮径向疲劳试验进行了分析 通过仿真手段得到了试验载荷下车轮的疲 劳寿命分布 分析结果表明该车轮的径向疲劳寿命满足要求 疲劳破坏的危险区域发生在轮辋边缘处 该 分析为车轮结构优化设计提供了有效方法 减少了试验经费及时间 降低了开发成本 关键词 关键词 钢车轮 径向疲劳 仿真分析 中图分类号 中图分类号 文献标识码 文献标识码 ABAQUS Application in Steel Wheel Radial Fatigue Simulation Analysis ZHU Qi LONG Di de LIAO Shi hui MAO X ian hong Changan Automobile Global Research and Development Center Abstract This paper analyzed the steel wheel radial fatigue life based on the finite element analysis method and the picture of the fatigue life for the wheel was obtained The results show that the performance of the wheel radial fatigue life meets the requiresment and the dangerous area occoured at the edge of the rim This simulation analysis provides an effective method for the wheel structrual design It also can reduce the test and development time and cost Key words Steel Wheel Radial Fatigue Simulation Analysis 1 引言引言 为满足市场竞争需求 缩短开发周期降低成本 利用有限元分析软件对车轮试验过程进行数值 仿真分析已经成为产品设计的必要手段 根据国家相关行业标准规定 车轮的疲劳性能试验主要包括 径向滚动疲劳试验和弯曲疲劳试 验 车轮径向疲劳试验是模拟汽车在正常行驶路面作用于车轮上的反作用力对车轮疲劳的影响 主 要考察车轮的综合强度 1 本文仅以某款车型的钢车轮为例 讲述车轮径向疲劳有限元分析的基本 过程 分析中首先采用ABAQUS软件对钢车轮进行了径向载荷加载的静力计算 2 车轮有限元分析车轮有限元分析 2 1 径向径向疲劳试验简介疲劳试验简介 车轮径向疲劳试验通过转鼓向车轮传递恒定的径向载荷 径向载荷通过轮胎与轮辋之间的接触 面传递到轮辋上 试验中轮胎的冷充气气压根据国标 GB T 5334 2005 确定 具体试验装置如图 1 所 示 图图 1 1 径向疲劳试验装置径向疲劳试验装置 根据国家标准 GB T 5334 2005 规定轻合金车轮径向疲劳试验载荷 F 单位 N 计算公式如下 F Fv v K 公式 1 其中 Fv v 为规定的车轮上最大垂直静负荷或车轮的额定负荷 单位为牛顿 N K为强化试验系 数 在本次分析中K值取 2 25 根据K值对应的满足车轮径向疲劳试验要求的最低循环次数为 50 万 次 2 2 2 车轮静力有限元分析车轮静力有限元分析 以此作为本次车轮径向疲劳寿命分析的评判标准 2 2 1 有限元模型建立有限元模型建立 由于轮胎一般是橡胶材料 变形具有非均匀性 若完全按照车轮试验状态进行建模较难实现 所以在本次分析中省略了轮胎部分 仅对轮毂进行建模 在本文中采用前处理软件进行前处理 车 轮采用单元尺寸为 3mm 采用 SHELL 单元建模 轮辋与轮辐之间的焊缝采用 SHELL 单元模拟 模型 含单元 21080 个 节点 20723 个 图图 2 2 车轮模型示意图车轮模型示意图 2 2 2 边界条件及载荷边界条件及载荷 试验中轮毂受力可以分为两部分 一部分是胎压 另外一部分为由轮毂传递的径向力 胎压均 匀作用于轮辋 由于轮毂结构具有对称性 胎压总用于轮辋的合力几乎为零 所以在本次分析中忽 略胎压的影响 根据车轮径向疲劳试验的实际安装情况 有限元分析的边界条件设置如下 约束车轮安装孔周 围单元节点的 6 个方向自由度 径向疲劳试验中的径向力通过在轮胎与轮毂胎座接触部位施加均布 载荷来实现 径向载荷近似按照余弦曲线规律作用于轮毂胎座与轮胎接触部位左右各 30 至 40 范 围内 3 在本次分析中 取径向载荷作用的最大偏转角 等于 36 在于轴线夹角各 36 的两侧区 域内 按照车轮每旋转 9 依次施加均布载荷 共计进行 40 次加载 完成径向力旋转一周的作用周 期 轮毂胎座与轮胎接触区域径向力加载范围如下图 3 所示 径向力在中间位置最大 向两侧逐渐 减小至零 图 3 中Wr为与轴线成 角处车轮径向分布力 W0为最大径向分布力 b为轮胎座受力宽度 0为 径向载荷作用的最大偏转角 在本次分析中取等于 36 根据参考资料 4 W r与W0 间的关系满足 以下公式 公式 2 设轮胎座半径为R 径向疲劳试验载荷为W 对公式 2 积分可得到W0 计算公式如下 公式 3 根据本次所分析钢车轮的径向试验载荷W 轮胎座半径R及轮胎座受力宽度b 可得最大径向分布 力W0为 2 43MPa 代入公式 2 后可得到Wr随 角度变化的表达式 公式 4 即 将公式 4 用三角公式展开即 公式 5 最后可得 公式 6 以胎圈中心点作为原点 轮辋径向作为 Z 轴 整体坐标系下 Y 轴作为 X 轴方向建立局部坐标系 在局部坐标系下 公式 7 公式 8 将公式 7 代入公式 6 可得 公式 9 将公式 9 作为均布载荷的输入公式 在轮胎座区域加载车轮径向受力 图图 3 3 径向力余弦加载示意图径向力余弦加载示意图 2 2 3 静力计算结果静力计算结果 计算采用 Abaqus 软件做求解器 考虑材料非线性 建立 40 个分析工况 每个工况均继承上个 工况的分析结果 用静力分析方法模拟径向载荷旋转一周 得到 40 个结果序列 其中某工况的应力 云图如下图 4 所示 从观察中可以发现 排除螺栓孔周围约束单元 应力集中区域发生在轮辋边缘 最大值 237 0MPa 由于车轮结构具有对称性 使得各个工况计算结果最大应力值相当 应力集中区 域均发生在轮辋边缘 2 3 车轮弯曲疲劳有限元分析车轮弯曲疲劳有限元分析 疲劳寿命分析一般需要输入材料的疲劳性能参数和应力 应变历程 在本文中使用疲劳软件中 的 TRANSIENT MAX 模块来估算车轮疲劳寿命 TRANSIENT MAX 模块用以计算瞬态载荷工况 在进行 该车轮疲劳寿命时 将静力计算得到的 40 个静力载荷结果作为应力历程输入 软件将找出每个节点 在不同时间历程上的最大应力和最小应力 得到最大的应力振幅 对其计算应力梯度用以进行疲劳 计算 图图 4 4 车轮径向车轮径向疲劳静力计算结果疲劳静力计算结果 得到车轮弯曲疲劳寿命云图如下图 5 所示 观察可以得到车轮最小寿命为 5 5E5 大于径向疲 劳试验目标值 50 万次 满足要求 图图 5 5 车轮车轮径向径向疲劳寿命云图疲劳寿命云图 3 结论结论 本文针对某车型的钢车轮采用有限元方法对其径向疲劳寿命进行了分析 介绍了车轮径向疲劳 有限元分析过程 在本次分析中运用限元分析软件 ABAQUS 对钢车轮的径向疲劳试验进行了静力计 算 得出钢车轮应力集中区域在轮辋边缘部位 根据这一静力结果采用疲劳分析软件进行了疲劳寿 命估算 通过仿真分析结果可以得出 该款车轮满足径向疲劳寿命要求 通过本次分析可以得出以 下结论 主要有 1 钢车轮疲劳寿命较低区域出现在轮辋边缘 该部位静力结果也相对较高 2 在车轮产品开发中引入有限元分析技术 可以了解车轮的应力分布情况 降低了新产品的开发 成本 有助于结构设计 实现车轮轻量化 3 本文提出的分析思路和方法在实际工程项目中已经得以成功应用 证明了其方法的实用性 参考文献参考文献 1 李平化 罗永新 李强 邓卫军 钢车轮动态弯曲疲劳性能的有限元分析 J 现代机械 No 3 54 2008 2 中国国家标准化管理委员会 乘用车车轮性能和试验方法 3 John C Stearns An investigation of stress and displac