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Simcenter 3D交通運輸行業(yè)應(yīng)用-車輪強度與疲勞分析方法總結(jié)

2019-03-23 09:01:59·  來源：Simcenter3D仿真  作者：西門劍客許先鋒  
　
車輪在人類的交通運輸中占有重要的地位，從最初的結(jié)構(gòu)形式已發(fā)展到今天人們對其更加追求結(jié)構(gòu)結(jié)實耐用、輕巧、造型時尚具有藝術(shù)氣息。今天我們來討論汽車車輪或摩
 
車輪在人類的交通運輸中占有重要的地位，從最初的結(jié)構(gòu)形式已發(fā)展到今天人們對其更加追求結(jié)構(gòu)結(jié)實耐用、輕巧、造型時尚具有藝術(shù)氣息。今天我們來討論汽車車輪或摩托車車輪，它是重要的零部件，在零部件行業(yè)是除了發(fā)動機之外的第二大產(chǎn)業(yè)，目前為滿足人們不同的消費需求，車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計也越來越個性化，但車輪關(guān)系到車輛行駛中的安全性，其強度與疲勞耐久性是車輪生產(chǎn)企業(yè)必須要考查的項目，有相應(yīng)的車輪疲勞試驗國家標準，也有企業(yè)還擴展了更多的自己的企業(yè)標準來對車輪的結(jié)構(gòu)性能進行更多更全面的考查，在車輪設(shè)計階段如何提前對車輪的結(jié)構(gòu)性能進行分析、評估與優(yōu)化，減少后期的模具修改、試驗費用，提高產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量與水平，無疑 CAE 發(fā)揮了重要作用。 Simcenter3D 是西門子推出的與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計協(xié)同的仿真工具，在國內(nèi)外車輪企業(yè)廣泛應(yīng)用。
 
2 車輪試驗方法
汽車車輪試驗方法：
Ø  彎曲疲勞試驗
Ø  徑向疲勞試驗
Ø  沖擊試驗

 摩托車車輪試驗方法：
Ø  彎曲疲勞試驗
Ø  徑向疲勞試驗
Ø  徑向沖擊試驗
Ø  扭轉(zhuǎn)疲勞試驗
比如乘用車車輪性能要求和試驗方法GB/T 5334-2005對車輪的動態(tài)彎曲疲勞試驗與動態(tài)徑向疲勞試驗進行了規(guī)定。

2.1 動態(tài)彎曲疲勞試驗方法
2.2 動態(tài)徑向疲勞試驗方法
2.3 車輪沖壓試驗
轎車車輪沖擊試驗方法GB/T 15704-1995（13°沖擊試驗）與乘用車輕合金車輪90°沖擊試驗方法QC∕T991-2015。
以13°沖擊試驗為例：
沖頭的下落高度應(yīng)在輪輞輪緣的最高點上方230±2mm。沖頭置于輪胎上方，其帶有圓角的沖擊面刃緣應(yīng)與輪輞輪緣重疊25±1mm。
試驗結(jié)果評價，出現(xiàn)下列情況之一即判定為損壞（車輪的變形或與沖頭相接觸的輪輞斷面的斷裂除外）：
  • 輪輻的任一斷面處有目測可見的穿透裂紋。
  • 輪輻從輪輞上分離。
  • 輪胎氣壓在1.0min內(nèi)漏盡。
3 CAE有限元計算
3.1 材料特性與強度疲勞指標
對于車輪的材料特性，研發(fā)能力較強的車輪企業(yè)會對車輪的材料特性進行測試，不僅是標準試件的測試，更會對真實產(chǎn)品的不同部位進行測試，充分了解材料的性能。
       基于材料的S-N曲線，對彎曲疲勞與徑向疲勞進行性能指標的設(shè)定，基于疲勞壽命的指標要求，確定彎曲工況與徑向加載工況的應(yīng)力強度標準。
3.2 彎曲工況與徑向工況的強度初步考核
      基于材料性能中確定的各工況的應(yīng)力強度標準，對車輪的幾個典型位置（比如加載位于窗口中央或窗脅等），進行靜力學(xué)應(yīng)力強度的初步評估。
       彎曲工況（彎矩方向位于某一典型位置，比如窗脅），彎曲工況考慮車輪的安裝螺栓、螺栓預(yù)緊、加載或固定裝置的安裝面與車輪中心安裝面之間的接觸。以下所有彎曲工況均考慮這些。
徑向加載工況（加載位于某一典型位置，比如窗脅），徑向加載可以選取某一個角度范圍（比如15°或30°等），應(yīng)用余弦函數(shù)加載；或直接應(yīng)用徑向軸承載荷加載方式，選取輪緣下邊附近的圓柱面進行加載，更方便快捷。同樣徑向工況考慮車輪的安裝螺栓、螺栓預(yù)緊、加載或固定裝置的安裝面與車輪中心安裝面之間的接觸、并考慮胎壓。以下所有徑向工況均考慮這些。
3.3 彎曲工況與徑向工況的離散化多位置多工況加載與疲勞分析
將車輪的一整圓分為多個等份（比如10等份或20等份），則相應(yīng)的產(chǎn)生多個工況（10個或20個），每個工況施加彎矩或徑向載荷，進行多工況的靜力學(xué)計算，然后基于這些工況進行疲勞分析。
比如徑向加載多工況設(shè)置，如下圖。
                       
          
   車輪疲勞壽命分析
3.4 彎曲工況與徑向工況的連續(xù)加載與疲勞分析
由于離散化多位置加載要得到精確的車輪一周的應(yīng)力/應(yīng)變的變化過程，就要求將車輪一周盡可能的分更多的等份，這就導(dǎo)致工況太多，載荷施加會麻煩繁瑣，現(xiàn)在我們可以應(yīng)用隨時間變化的載荷進行連續(xù)加載。
  • 彎曲工況：
將彎矩在車輪一周的變化過程做成在車輪平面方向的二個分量（SIN、COS分量），車軸軸向分量為0，隨時間變化，計算一周。得到車輪在彎矩作用下的一周的應(yīng)力/應(yīng)變連續(xù)變化，然后進行疲勞分析。
  • 徑向工況：
車輪帶輪胎（考慮胎壓），輪胎與轉(zhuǎn)鼓接觸，施加徑向載荷。由于這里主要是考查車輪金屬結(jié)構(gòu)件的強度與疲勞，對輪胎做適當?shù)暮喕?，不考慮胎面花紋、輪胎材料作一個橡膠等效材料代替，不考慮具體的胎體、鋼絲、簾布層等。為簡化計算提高效率，輪胎與輪輞邊緣做粘接處理?？梢宰鲆粋€簡化輪鼓與輪胎接觸，也可以做一個小平板與輪胎接觸，為減小計算量，車輪不轉(zhuǎn)動，小平板沒圓周周向運動，同時施加徑向載荷。
載荷施加過程：
窗脅上某位置的應(yīng)力變化過程：
    疲勞安全系數(shù)：
疲勞壽命：
3.5 沖擊分析
               基于試驗標準，進行13°沖擊試驗或90°沖擊試驗?zāi)M，有許多車輪廠進行不帶輪胎的沖擊試驗，考查車輪的抗沖壓破壞性能（與沖擊錘接觸的輪緣除外），應(yīng)用有限元的非線性動力學(xué)可以很好的模擬這些試驗。特別是現(xiàn)在許多車輪企業(yè)是多品種定制化開發(fā)、在開模具前設(shè)計階段進行車輪的沖擊試驗?zāi)M，對結(jié)構(gòu)的抗破壞性進行評估與優(yōu)化，為減少模具的開發(fā)迭代費用、試驗費用、節(jié)省成本提高研發(fā)效率，發(fā)揮了重要作用。
  • 13°沖擊試驗?zāi)M
  • 90°沖擊試驗?zāi)M
3.6 其它分析標準
1) GM提出的車輪側(cè)向剛度分析標準(Wheel Lateral DynamicStiffness evaluation)
2) FIAT CHRYSLER提出的車輪壓潰試驗?zāi)M(擠壓阻力分析)
4 總結(jié)
本文從車輪的試驗標準、CAE有限元模擬等方面，較為詳細地討論總結(jié)了目前車輪結(jié)構(gòu)強度疲勞計算分析的方法、過程、指標等內(nèi)容，并擴展地介紹了國外目前最新的車輪試驗與CAE模擬的標準，對車輪企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)提供了一些有益的參考
附注：Simcenter 3D（以前叫NX CAE）是與NX CAD一體化的平臺，你既可以使用NX CAD/CAE一體化，用NX創(chuàng)建模型，用Simcenter 3D做CAE分析，當然也可以只使用NX里面仿真部分（Simcenter 3D），CAD由其它CAD軟件創(chuàng)建，但是利用同步建模技術(shù)，Simcenter 3D可以真正能實現(xiàn)CAD模型可來源無關(guān)性。

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