接触分析在车轮弯曲疲劳有限元分析中的应用

5 8 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 第 8期 2 0 1 2年 8月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 8 0 0 5 8 0 3 一 L t t 疲劳有限元分析中的应用木 Th e Ap p l i c a t i o n o f Co n t a c t An a l y s i s i n W h e e l B e n d i n g F a t i g u e Fi n i t e El e me n t An a l y s i s WANG J i a n x i n g HAO Ya n h u a YAN We i z e C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o m a t i o n Hu a q i a o U n i v e r s i t y X i a me n 3 6 1 0 2 1 C h i n a l 摘要 利用有限元接触分析方法 建立车轮 试验轴 螺栓连接件的有限元模型 施加合理的载 荷与边界条件 模拟车 轮弯曲 疲劳试验 通过有限 元分 析软件A N S Y S 建立 模型 设置接触对与相关 参 数 得出车轮高应力区域与各应力值 运用疲劳寿命计算理论中的名义应力法及 A N S Y S 软件估算车轮 疲劳寿命 且两数据基本一致 与车轮弯曲疲劳试验结果比较表明 在疲劳寿命计算理论与 A N S Y S 软 件估算的疲劳寿命内车轮均没有破坏 从而验证了运用接触分析有限元法预估车轮寿命的有效性 为 i以后的结构改进起到 了指导作用 关键词 车轮 接触分析 弯曲疲劳试验 有限元仿真 疲劳寿命 A b s t r a c t B y a p p l y i n g fi n i t e e l e m e n t c o n ta c t a n a ly s is met h o d fi n i t e e l e m e n t m o d e l f o r 口w h e e l l s h a f t b o l ts c o n n e c t io n w a s e s t a b l i s h e d a n d r e as o n abl e l o a d i n g and b o u n d a r y c o n d i t i o n s a r e a p p l i e d t o s i mu l a t e t h e b e n d i n gf a t i g u e t e s t T h r o u g h F E A s o f t w are A N S Y S e s t abl i s h i n g mo d e f s e t t i n g c o n t act p a i r s an d r e l at e d p ar a m e te r s c 帆g e t s s s ar e a a n d t h e s r e s s v al u e w h e e 1 E s t i m a t e w h e e l f at ig u z l u s i n g n o m in a l s t r e s s c al c u l at i o n met h o d i n th e t h e o r y o f f a t igue l if e and A N S Y S s of t w are e s t i m a t i o n s y s t e m C o m p ari n g w i t h t h e r e s u l t s o fw h e e l b e n d i n g e t e s t t h e w h e e l s are n o t d a ma g e d b o t h w i t h i n t h e v a l u e e s t i m a t e d i n t h e t h e o r y o f t h e e s t im at i o n f at i gue z and th e A N S Y S o f t w ar e t h at ar e al l w o r k e d p r o p e r ly 1 e d ata abo v e v e r ifie s t h e e f f e c t i v e n e s s o ft h e F E A mo d e l w h i c h s e r v e s as 0 g u i d e f o r f t u r e s t r u c t u r al i m p r o v e men t s of t h e w h e e 1 K e y Wo r d s Wh e e l C o n t a c t A n a l y s i s B e n d i n g F a t i g u e T e s t F E A S i mu l a t i o n F a t i g u e L i f e 中图分类号 T H1 6 U 4 6 3 3 4 文献标识码 A 1前言 车轮是汽车的重要部件 承受汽车的重力 制动力 驱动力 汽 车转向时产生的侧向力及这些力产生的力矩 并且还要承受路面不 平产生的冲击力 对汽车的行驶安全性 稳定性和牵引性有重要的 作用 随着我国汽车工业整体水平的提高 以及对汽车的行驶速度 与载荷的大幅度提高 对车轮的质量要求也越来越高 一般意义上 的车轮包括轮胎和钢圈两部分 研究的是某车轮厂生产的某型号 1 5 D C无内胎车轮钢圈 采用A N S Y S软件对该车轮的弯曲疲劳试 验进行仿真模拟及疲劳寿命估算 目的是得到此车轮在动态弯曲疲 劳试验状态下的疲劳裂纹位置及车轮的使用寿命 并通过与试验结 果对比 验证此有限元分析方法模拟车轮弯曲疲劳试验的有效性及 疲劳寿命估算的可靠性 为以后车轮结构的改进打下基础 2车轮弯曲疲劳试验 2 1车轮弯曲疲劳试验简介 目前 国内外最常采用的车轮弯曲疲劳试验方法是采取车 轮固定 由电机带动偏心块进行旋转 通过加载轴对车轮施加一 个旋转的弯矩 其试验设备 如图 1 所示 结构原理 如图 2 所示 试验时 将车轮的轮辋牢固地夹紧到试验夹具上 加载力臂与连 接件用螺栓连接到车轮的安装面上 安装情况与装于车辆上实际 使用工况相 当12 图 1车轮弯曲疲劳试验设备 F i g 1 W h e e l Be n d i n g F a t i g u e Te s t Eq u i p me n t 图2车轮弯曲疲劳试验原理图 F i g 2 Be nd i n g F a t i g u e Te s t S c h e ma t i e 2 2车轮弯曲载荷计算 国标 G B T 5 9 0 9 1 9 9 5规定载重汽车车轮弯曲载荷弯矩 肼 力x力臂 用 N m表示 由式 1 确定 d S 1 式中 一弯矩 N m 胎和道路间的设定摩擦系数 R 静 负荷半径 是车轮或汽车制造厂规定的该车轮配用的最大 轮胎负荷下的静半径 m d 车轮的内偏距或外偏距 m F 一车轮或汽车制造厂规定的车轮上的最大垂直静负荷或 车轮额定负荷 N s 强化试验系数 来稿 日期 2 0 1 1 1 0 0 4 基金项 目 厦 门市科技计划高校创新项 目 3 5 0 2 Z 2 0 0 8 3 0 4 4 机 械 设计 与制 造 No 8 Au g 2 01 2 车轮弯曲疲劳试验中取轮胎与道路间的摩擦系数I 1 0 7 最大 轮胎静负载半径 R 0 3 m m 车轮内偏距 d 1 6 8 m m 车轮额定负荷 3 3 3 0 k g 强化试验系数 S I 1 由式 1 计算得试验弯矩 1 9 0 5 k N m 试验轴长 1 m 代人式M L x F 计算得施加在试验轴末端 节点上的集中力为 F 1 9 5 k N 试验轴末端圆周上均布有9 6 个节 点 为模拟车轮动态弯曲疲劳试验顺序地在这些节点上施加试验载 荷 每在 个节点上加载集中力 F写出载荷步文件 然后将该节点 上的载荷F删除并在下个节点上加载 写出载荷步文件 依此方 法写出9 6个载荷步文件 求解时只需顺序读入这些载荷步文件进 行求解 完成之后便可以一P o s t 2 6中查看车轮动态弯曲疲劳试验 结果 整个车轮弯曲疲劳试验模型的有限元模型 如图 l 0 所示 4求解计算及结果分析 进入 A N S Y S软件求解模块 选择求解类型为结构静态应力 分析 S t a t i c 选择求解方式为 F r o m L S F i l e s 顺序读入前面所写 出 的9 6个载荷步进行求解计算 每个载荷步计算一次 由于车轮结 构复杂 在径向疲劳试验载荷作用下整个车轮处于复杂应力状 态 所以取当量应力t V o n Mi s e s 作为计算应力进行研究 进入 A N S Y S时间历程后处理器 P o s t I 查看整个车轮动态弯曲疲劳试 验过程中当量应力达到最大时刻的车轮应力云图 图略 车轮的 最大当量应力出现在车轮通风孔边缘 通风孔边缘A 曰两个位 置发生严重的应力集中 图略 为车轮的危险部位 其中A点处 的应力最高 其当量应力达到2 4 8 M P a 5车轮弯曲疲劳寿命估算 通过车轮一圈的旋转分析 通风孔两个危险点位置的第二主 应力 o r 始终等于0 两个危险点始终处于单向拉应力与单向压应 力的循环交替状态 应力方向均与风孔边缘相切 如图 1 1 所示 a b 图 1 1 A点位置应力矢量方向 Fi g 1 1 Po i n t A S t r e s s Ve c t o r Di r e c t i o n 两个危险点 A 曰各主应力随载荷步变化的曲线 如图 l 2 图 1 3 所示 i 一 r 0 2 0 3 04o 70 舯9 o 00 图 l 2 A点的 o r I 0 2 0 3 随载荷步的变化曲线 F i g 1 2 Cu r v e f o r S t e p s W i t h a d 0 2 0 3 o f P o i n t A r 一 一 一 1 图 1 3 B点的 1 2 3 随载荷步的变化 曲线 F i g 1 3 Cu r v e for S t e p s W i t h L 0 a d I 2 3 o f P o i n t B 由图 1 2 图 1 3可得 A B两点的第一主应力 or 的值和第三 主应力 or 的值 并计算出各点的应力幅及平均应力 并将非对称 循环的应力幅修正成等效的对称循环应力幅 将等效应力幅对照 车轮危险区域 S N曲线对车轮进行疲劳寿命估算 由于车轮通 风孔 A B为车轮的两个危险点 两个点中疲劳寿命最低的那个 点的寿命即为车轮的疲劳寿命 风孔 A 曰两点各应力数值及疲 劳寿命 如表 1 所示 经计算得 A点的疲劳寿命最低 v 5 8 8 2 E O 5次 故估算的车轮疲劳寿命为 5 8 8 2 E 0 5次 表 1 A 两点应力及理论估算的疲劳寿命 T a b 1 S t r e s s o f Po i n t A a n d B a n d T h e o r y E s t i ma t ion F a t i g u e L i f e 危险 第一主应 第三主应应力幅 平均应力等效应力 疲劳寿 焦量 2 2 2 蝗 2 佥 2 A 2 4 7 2 8 2 4 4 2 5 2 4 6 2 6 5 2 0 3 2 4 6 8 9 4 5 8 8 2 E 5 B 2 4 7 48 2 4 4 8 4 2 4 6 6 6 1 6 4 2 4 7 1 6 8 5 9 6 5 E 5 由 A N S Y S 疲劳计算模块 F a t i g u e 计算得A B两点的疲劳寿 命 A B两的疲劳寿命分别为 5 9 2 6 E 5次 N s 5 8 2 4 E 5 A 点疲劳寿命分析结果文件 如图 1 4所示 图 1 4 A点疲劳寿命分析结果文件 F i g 1 4 Po i n t A F a t i g u e Li f e Ar a l y s i s Re s u l t s F i l e 随机抽取几个该型号车轮 根据 G B r 5 9 0 9 1 9 9 5载货汽车 车轮性能要求和试验方法 进行弯曲疲劳试验 并记录试验结果 结果如表2所示 试验结果显示所有车轮试验要求寿命内均没有 发生破坏 表 2弯曲疲劳试验结果 Ta 1 2 Be n d i n g F a t i g u e Te s t Re s u l t s 6小结 依据车轮弯曲疲劳试验原理 建立车轮弯曲试验有限元仿 真模型 分析结果表明车轮危险位置主要集中于车轮通风孔边 缘 运用名义应力法 吖占 算的车轮弯曲疲劳寿命与 A N S Y S软件分 析的车轮弯曲疲劳寿命基本一致 集中在 5 0 6 0 万次之间 符合 国标 G B I 5 9 0 9 1 9 9 5 规定的车轮在该试验载荷下的最低标准寿 命 2 0 次 车轮弯曲疲劳试验结果显示所有车轮均没有发生破坏 表明有限元法估算车轮疲劳寿命的准确性 参考文献 1