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Simcenter 3D交通运输行业应用-车轮强度与疲劳分析方法总结

2019-03-23 09:01:59·  来源：Simcenter3D仿真  作者：西门剑客许先锋  
　
车轮在人类的交通运输中占有重要的地位，从最初的结构形式已发展到今天人们对其更加追求结构结实耐用、轻巧、造型时尚具有艺术气息。今天我们来讨论汽车车轮或摩
 
车轮在人类的交通运输中占有重要的地位，从最初的结构形式已发展到今天人们对其更加追求结构结实耐用、轻巧、造型时尚具有艺术气息。今天我们来讨论汽车车轮或摩托车车轮，它是重要的零部件，在零部件行业是除了发动机之外的第二大产业，目前为满足人们不同的消费需求，车轮结构设计也越来越个性化，但车轮关系到车辆行驶中的安全性，其强度与疲劳耐久性是车轮生产企业必须要考查的项目，有相应的车轮疲劳试验国家标准，也有企业还扩展了更多的自己的企业标准来对车轮的结构性能进行更多更全面的考查，在车轮设计阶段如何提前对车轮的结构性能进行分析、评估与优化，减少后期的模具修改、试验费用，提高产品研发质量与水平，无疑 CAE 发挥了重要作用。 Simcenter3D 是西门子推出的与产品结构设计协同的仿真工具，在国内外车轮企业广泛应用。
 
2 车轮试验方法
汽车车轮试验方法：
Ø  弯曲疲劳试验
Ø  径向疲劳试验
Ø  冲击试验

 摩托车车轮试验方法：
Ø  弯曲疲劳试验
Ø  径向疲劳试验
Ø  径向冲击试验
Ø  扭转疲劳试验
比如乘用车车轮性能要求和试验方法GB/T 5334-2005对车轮的动态弯曲疲劳试验与动态径向疲劳试验进行了规定。

2.1 动态弯曲疲劳试验方法
2.2 动态径向疲劳试验方法
2.3 车轮冲压试验
轿车车轮冲击试验方法GB/T 15704-1995（13°冲击试验）与乘用车轻合金车轮90°冲击试验方法QC∕T991-2015。
以13°冲击试验为例：
冲头的下落高度应在轮辋轮缘的最高点上方230±2mm。冲头置于轮胎上方，其带有圆角的冲击面刃缘应与轮辋轮缘重叠25±1mm。
试验结果评价，出现下列情况之一即判定为损坏（车轮的变形或与冲头相接触的轮辋断面的断裂除外）：
  • 轮辐的任一断面处有目测可见的穿透裂纹。
  • 轮辐从轮辋上分离。
  • 轮胎气压在1.0min内漏尽。
3 CAE有限元计算
3.1 材料特性与强度疲劳指标
对于车轮的材料特性，研发能力较强的车轮企业会对车轮的材料特性进行测试，不仅是标准试件的测试，更会对真实产品的不同部位进行测试，充分了解材料的性能。
       基于材料的S-N曲线，对弯曲疲劳与径向疲劳进行性能指标的设定，基于疲劳寿命的指标要求，确定弯曲工况与径向加载工况的应力强度标准。
3.2 弯曲工况与径向工况的强度初步考核
      基于材料性能中确定的各工况的应力强度标准，对车轮的几个典型位置（比如加载位于窗口中央或窗胁等），进行静力学应力强度的初步评估。
       弯曲工况（弯矩方向位于某一典型位置，比如窗胁），弯曲工况考虑车轮的安装螺栓、螺栓预紧、加载或固定装置的安装面与车轮中心安装面之间的接触。以下所有弯曲工况均考虑这些。
径向加载工况（加载位于某一典型位置，比如窗胁），径向加载可以选取某一个角度范围（比如15°或30°等），应用余弦函数加载；或直接应用径向轴承载荷加载方式，选取轮缘下边附近的圆柱面进行加载，更方便快捷。同样径向工况考虑车轮的安装螺栓、螺栓预紧、加载或固定装置的安装面与车轮中心安装面之间的接触、并考虑胎压。以下所有径向工况均考虑这些。
3.3 弯曲工况与径向工况的离散化多位置多工况加载与疲劳分析
将车轮的一整圆分为多个等份（比如10等份或20等份），则相应的产生多个工况（10个或20个），每个工况施加弯矩或径向载荷，进行多工况的静力学计算，然后基于这些工况进行疲劳分析。
比如径向加载多工况设置，如下图。
                       
          
   车轮疲劳寿命分析
3.4 弯曲工况与径向工况的连续加载与疲劳分析
由于离散化多位置加载要得到精确的车轮一周的应力/应变的变化过程，就要求将车轮一周尽可能的分更多的等份，这就导致工况太多，载荷施加会麻烦繁琐，现在我们可以应用随时间变化的载荷进行连续加载。
  • 弯曲工况：
将弯矩在车轮一周的变化过程做成在车轮平面方向的二个分量（SIN、COS分量），车轴轴向分量为0，随时间变化，计算一周。得到车轮在弯矩作用下的一周的应力/应变连续变化，然后进行疲劳分析。
  • 径向工况：
车轮带轮胎（考虑胎压），轮胎与转鼓接触，施加径向载荷。由于这里主要是考查车轮金属结构件的强度与疲劳，对轮胎做适当的简化，不考虑胎面花纹、轮胎材料作一个橡胶等效材料代替，不考虑具体的胎体、钢丝、帘布层等。为简化计算提高效率，轮胎与轮辋边缘做粘接处理。可以做一个简化轮鼓与轮胎接触，也可以做一个小平板与轮胎接触，为减小计算量，车轮不转动，小平板没圆周周向运动，同时施加径向载荷。
载荷施加过程：
窗胁上某位置的应力变化过程：
    疲劳安全系数：
疲劳寿命：
3.5 冲击分析
               基于试验标准，进行13°冲击试验或90°冲击试验模拟，有许多车轮厂进行不带轮胎的冲击试验，考查车轮的抗冲压破坏性能（与冲击锤接触的轮缘除外），应用有限元的非线性动力学可以很好的模拟这些试验。特别是现在许多车轮企业是多品种定制化开发、在开模具前设计阶段进行车轮的冲击试验模拟，对结构的抗破坏性进行评估与优化，为减少模具的开发迭代费用、试验费用、节省成本提高研发效率，发挥了重要作用。
  • 13°冲击试验模拟
  • 90°冲击试验模拟
3.6 其它分析标准
1) GM提出的车轮侧向刚度分析标准(Wheel Lateral DynamicStiffness evaluation)
2) FIAT CHRYSLER提出的车轮压溃试验模拟(挤压阻力分析)
4 总结
本文从车轮的试验标准、CAE有限元模拟等方面，较为详细地讨论总结了目前车轮结构强度疲劳计算分析的方法、过程、指标等内容，并扩展地介绍了国外目前最新的车轮试验与CAE模拟的标准，对车轮企业的产品研发提供了一些有益的参考
附注：Simcenter 3D（以前叫NX CAE）是与NX CAD一体化的平台，你既可以使用NX CAD/CAE一体化，用NX创建模型，用Simcenter 3D做CAE分析，当然也可以只使用NX里面仿真部分（Simcenter 3D），CAD由其它CAD软件创建，但是利用同步建模技术，Simcenter 3D可以真正能实现CAD模型可来源无关性。

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