汽车轮毂冲击的与实验分析

1、倡2 0 1年1月安庆师范学院学报 自然科学版)No y2013第 1 卷第 4 期Jour io dAlnqiT(gach(£osll ($4gaetu £ a lenEcdeit)ionVo.ll 9Nq 4网络出版时间：20 4B 21 92 0:1 网络出版地址:ht:t/pw wcn .knie/tcn et/441 15 N.201312D9.®21h.tml汽车轮毂冲击的 CA与实验分析闫胜昝1童水光2,朱训明"（1安庆师范学院 计算机与信息学院，安徽安庆2 4 6 1 3 3浙江决学 工业技术研究院，浙江 杭州3 1 0 0 2 7;3

2、.万丰奥特集团，浙江新昌3 1 2 5 0 0 ）摘 要：针对汽车车轮冲击试验，通过动态响应有限元分析，确定车轮结构中的最大应力及危险位置，并通过实验应力分析，利用动态电阻应变仪等，测定并计算车轮结构中关键点的应力响应，利用MATLAB并绘制 VoiMis应力响应曲线。通过对比有限元分析与实测结果，提出修正系数，对有限元分析模型进行修正，该结果可用于企业的车轮设计，提高产品结构设计的一次合格率。关键词：冲击试验；CA分析；动态响应；实验应力分析；动态电阻应变仪中图分类号：U4 6 33.4Q3 13O,3 4 8文献标识码：A文章编号：10 04 2 6 0 （ 2 0 10）0 7403汽车

3、车轮作为关键的汽车零部件之一，直接影响汽车的安全性，而安全性也是汽车设计的第 一要求。汽车行驶中车轮高速转动，介于地面和 汽车所有其他部件之间，承载着汽车、乘客等重力 载荷，还有可能承受由于加速、减速和转弯等带来 的附加载荷，车轮结构设计不仅要考虑美观，而且还要考虑可铸性，最重要的是要能够承受其应承 受的载荷，才具使用性和安全性。因此，在车轮结 构设计中，首先要使其满足强度要求，一般在车轮 批量生产之前，必须通过冲击试验、径向滚动疲劳 试验和弯曲疲劳试验。即便是在批量生产之前进 行试验可避免大批量的报废，要得到试验用车轮 仍需付出高昂代价，从车轮设计、模具设计、模具 开制、上模具、小批生产、下

4、模具，无论是时间还是 成本，都是一个不小的支出。而小批量生产的车 轮又不能保证必然通过试验，就有可能会造成更 大的时间和成本的浪费 。随着feA技术的不断 成熟和广泛应用，借助CAE在车轮的设计之初， 对其进行针对三个性能试验的分析计算，将有助于缩短新产品开发周期、降低新产品开发成本c因此，利用CAE寸车轮结构进行强度分析、寿命预测，从而优化设计就成为新产品开发的必要条 件“。对车轮结构性能试验有限元分析方法的 研究成为热点之一。在受力模型较简单的疲劳试验中，在掌握材料的 N S曲线后，疲劳寿命的预 测是可行的，。而在冲击试验中存在复杂的冲 撞问题，结构模型还包含轮胎，是复杂的非线性问 题，小

5、西晴之等人在车轮的冲击强度上做过部分 研究4。本文主要通过对车轮冲击试验的有限 元分析，利用动态响应的分析方法，分析车轮结构 中的危险位置及最大应力等情况，并用实验应力 分析方法对车轮冲击试验中的应力进行测量，再通过实验结果与分析结果的比较，提出对有限元 分析模型的修正系数，从而可用车轮冲击试验有 限元分析指导新产品设计，缩短其开发周期。1有限元分析模型1 .1冲击试验根据GBT1 5 7 4 9 9标准，将装有轮胎的 车轮固定在试验装置上，施加一个冲击力，冲击后 检查，轮辐无目测可见的穿透裂纹 ，轮辐不能从轮 辋上分离，轮胎气压不会在 6 0s内漏尽，才表明 车轮通过冲击试验。摩托车车轮主要

6、需进行9 0冲击试验，而汽车车轮主要是进行13冲击试验，将车轮安装在一个与水平地面成13角的安装盘上，重锤质量根据车轮最大静载荷的0.6倍加18 k g十算得到，下落高度固定为 （2 3±）2） mm倡收稿日期：2 0 10 7- 0 3作者简介：闫胜昝，女，河北辛集人，博士，安庆师范学院计算机与信息学院讲师，主要专业方向为机械CADCAE模拟仿真、计算机技术应用。?78?安庆师范学院学报（自然科学版）2 0 13年冲击后无肉眼可见的裂纹即为合格。1.2分析模型采用IDEA有限元分析软件，对在冲击载 荷作用下车轮结构内的应力 、应变、变形等进行分4析。铝合金材料的弹性模量为6.9X1

7、 44、松比0 .3 3密度2 .6 9X163o对车轮结构I泊白体模型，采用四面体和节点体单元进行网格单元 划分,网格划分越细密分析结果越精确，但计算时间越长,而网格划分太粗大分析结果精度又不够，但计算时间会较短，因此，需综合考虑，此处根据 车轮结构的尺寸，取单元大小为8mno将车轮结 构旋转到与水平方向成13夹角，在车轮安装盘面及几个PCDL进行全约束°首先进行动态响 应分析，然后在响应分析模块进行强迫运动分析，指定冲击接触点及竖直冲击方向，设置重锤位置设冲击过程中载荷 F 0的分布服从半正弦函数6分布 力从零到峰值再到零），并设定衰减系数4%轮胎的吸能作用75 o1 . 3分析

8、结果由以上分析得到车轮结构内的应力分布情况 如图1所示，t = 0 .2 5s时为F （0取最大值的时 刻，由图1可看出该车轮结构中应力分布比较均 匀，最大应力位于施加冲击载荷位置正对的辐条 上，最大 Mis应力12创P,a远远低于材料的抗 拉强度极限2 4 MP a对该车轮进行实际取样，测 量机械性能得出的结果）。因此，单从冲击试验 有限元分析结果来看，该车轮结构还有进一步优 化的潜力，但是有限元分析的算法本身导致其结 果必然存在一定误差，分析结果的分布趋势虽是 完全可靠的，却不能保证有限元分析结果的数值图3 A, E两点voMis应力响应测量结果下转第12页）?78?安庆师范学院学报（自然

9、科学版）2 0 13年在与轮辋重叠（2 ± 1）mm与试验相同）的地方， 指定根据标准计算得到的重锤质量为 5 5氐g下 与实际的应力值完全一致，这也正是要进行实验 应力测量的原因图3 A, E两点voMis应力响应测量结果下转第12页）?78?安庆师范学院学报（自然科学版）2 0 13年落高度2 3 mm,设定冲击过程在 0.5 s内完成，假图3 A, E两点voMis应力响应测量结果下转第12页）?78?安庆师范学院学报（自然科学版）2 0 13年Peaf1 raia d-iu* AndLlVa iLa图1车轮结构的应力分布（t = 0 .2 5s）1, M5 .« .

10、42E-H),7 lalZE-HJT 晞亍5.41EH37閒.«1E*D7JlE-fr-Ci?图3 A, E两点voMis应力响应测量结果下转第12页）?78?安庆师范学院学报（自然科学版）2 0 13年2实验应力分析冲击过程完成于一瞬间，详细观察这些现象 必须依赖于实验。本文采用技术成熟、操作简单、 成本低廉的电阻应变计法进行车轮冲击动态响应 实验应力分析，所使用的仪器设备和分析软件如 表1所示，试验装置及测点如图 2所示。按试验要求安装测试用轮胎，并充气达到试 验要求2X10 一P撚后在车轮上粘贴 4 5应变花，连接导线，如图2所示。调整冲锤重量及下落高 度后，预热动态电阻应变仪

11、，清零、标定、设定采集 文件，由于冲击时间很短，为了避免漏掉数据，先 点击开始测量，再开始对车轮的冲击试验。冲击 位置与有限元分析中加载位置相同，对贴有应变片的辐条正对的轮辋进行冲击（冲击范围按试验标准要求，在重锤与轮辋重叠（2 ± 1） mm的范围内）。名称型号13车轮冲击试验机IMTV1, VI A - 15 -2®电阻应变计EX12 0 3CA(XE动态电阻应变仪CS-1A数据采集仪CDSP分析软件Vi'lSYS表1车轮冲击动响应实验仪器设备与分析软件图2试验装置对采集到的数据，利用MATL竝行处理， 得到并绘制 vo Jdis应力响应曲线，如图3所 示。由图

12、示结果可以看出，在同一根辐条上如图 2所示两点测得的应力，由于车轮结构的对称性，其变化趋势及数值均十分接近。由于先点击开始 测量，后进行冲击，开始一段时间的应力为零。另外，从vo皿is应力的结果可以看出，这 两点在整个冲击试验过程中应力出现连续的几个 峰值，且逐渐变弱。这一测量结果与实际完全一 致,冲击中冲锤首先接触轮胎，轮胎作为高弹性元逐渐静止下来。A,E两点测量得到的最大Mise应力分别为 2 0 18.MP和2 0 .MP，与有限元 分析结果比较偏大，误差在4 15%左右。这些误 差主要来自于模型的简化以及载荷谱的假设，因此对于车轮冲击试验的有限元分析，模型的建立还需完善，载荷谱最好能实

13、测得到。目前，在没有 建立更合理的有限元分析模型之前，通过大量实验与分析结果的比较，可采用修正系数1 .72 .0来弥补，即采用本文建立的分析模型，施加的载荷 应乘以该修正系数，相当于动载系数，计算得到的图3 A, E两点voMis应力响应测量结果下转第12页）?78?安庆师范学院学报（自然科学版）2 0 13年图3 A, E两点voMis应力响应测量结果下转第12页）?78?安庆师范学院学报（自然科学版）2 0 13年件，引起冲锤的弹跳，并且在轮胎的吸能作用下应力峰值才与实测值更接近wenlhmuTmiESKmli图3 A, E两点voMis应力响应测量结果下转第12页）? 12C?安庆师范

14、学院学报（自然科学版）2 0 13年I mplemeonDtealFaiyn nctMbcnrocoLhntbrjEd d ilCkLgo cfiptatei(Pepeh?(Amhi2 3 6 801Ci)naAbst rPeltipn© fthmosctommom l ycdonc ei pmt iscroconeao,hae0eiaiyncli a oiiimportantfunc i it chc ontrphhg rogfimis croconlt.rCaMfelrasLEIinama1acons tfanquleing：y)tyfcndsdelay func,whDinch

15、alux entg i ldeo-whi,lfeorndombincaith bahne f olro opate ,ma anesxam, ptlhd elay functoifohcsrocoCt ccp:h(tlelarhutlmmartihedptudenhah(h(derst talh(fcleilacy nee ft sc-ro contru)hbterrehth(cknowl.erdgresuslh osh teacminhodse igyodKeywor :dms icrocout,(Clahg,d(gealLync,li®(hptatements上接第7页）? 12

16、C?安庆师范学院学报（自然科学版）2 0 13年3结束语测量一些数据据缺陷尔补可大试验条试限经费不、缩短试 验周期，降低新产品的研发成本 ，缩短研发周期： 提高车轮产品结构设计的一次合格率 。同时实验 分析也表明，利用有限元方法来研究车轮结构的 动力学问题是可行的，通过CAE建立公司内部的 强度评价标准，提高试验合格率，具有十分重要的 应用价值。对于涉及轮胎大变形、轮胎与车轮接触问题 以及材料断裂问题的车轮冲击试验 ，有限元分析 结果与实验结果还有一定差距，有限元分析模型 相对简单，如能把高弹性的轮胎引入车轮结构的 分析模型，利用逆推法或实验测得冲击试验载荷 谱作为动响应分析的输入,将能使分析

17、结果更接 近于实际，从而取消修正系数，还有待于借鉴更新 的CA技术做进一步研究。参考文献：1李平化，周华祥，龙华，等.铝车轮设计的有限元分析.装备制造技术，2 0 0 64： 85.2 J. Stea ETnSs Sriv a As a nak?aesth.lModeltitoQ mechanriecsaploonfas nalumi n l ilaouy tomor ti mV eMaterSicailesa n B ngine A,r 2i Cn(h4,3 6-62: 6286 23 崔胜民，杨占春.汽车车轮疲劳寿命预测方法的研究J.机 械强度，2002,( 4：6 1T6 19.4 Ha

18、ruyKiCkN IS JAIkibuFnUi JIWAKAoshi K A T SJRA e ta.l ImpaScttre o gt lhumi Wihnee(lInfluoe n Disakn Ri rRigi d mtthJ WLImpaScttre o gAslhumin - Whe)eC.日本機械学会論文集，1 996，(7)2: 2 84 2 8 9 0.5 吴永礼.计算固体力学方法M.北京：科学出版社，2 0 0 3.6 马晓建，等.机械装备中跌落物冲击信号的恢复J.振动 与冲击，2 0 0 1，2;)0 3 -3 3.7 K. S. Ta, nS. V. Won, gR. S

19、. Rad JJma, re ta.lAnexp-eimentsat lu diyeformbaethi aovi imoortor cfy ©Wiltte l ty atseuhldfrohmaale)tadJJngnternJcjo nad ImpaEcntginte20i0n6g3 2:) 1 5 4 5 7 2.? 12C?安庆师范学院学报（自然科学版）2 0 13年? 12C?安庆师范学院学报（自然科学版）2 0 13年Anal oyI mpTcoAutomW lb)ttlhsAanHxperMmtlhdd123,TCN(Shigiua ngHLKu ning(1 . SchXooCNSn hI gr f ormAniioTgaclhCeo rl sl eAgi oq jAgh246 1 33;2. Inst o fPlrrtdt:ItqsusipHehnCtontErhgl inttZrhenj giUanni ve rHsaintgy KZchuej i3 al n g27