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

2019-03-23 09:01:59·  來(lái)源：Simcenter3D仿真  作者：西門劍客許先鋒  
　
車輪在人類的交通運(yùn)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(duì)其更加追求結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)耐用、輕巧、造型時(shí)尚具有藝術(shù)氣息。今天我們來(lái)討論汽車車輪或摩
 
車輪在人類的交通運(yùn)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(duì)其更加追求結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)耐用、輕巧、造型時(shí)尚具有藝術(shù)氣息。今天我們來(lái)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(dòng)機(jī)之外的第二大產(chǎn)業(yè)，目前為滿足人們不同的消費(fèi)需求，車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也越來(lái)越個(gè)性化，但車輪關(guān)系到車輛行駛中的安全性，其強(qiáng)度與疲勞耐久性是車輪生產(chǎn)企業(yè)必須要考查的項(xiàng)目，有相應(yīng)的車輪疲勞試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，也有企業(yè)還擴(kuò)展了更多的自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)車輪的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行更多更全面的考查，在車輪設(shè)計(jì)階段如何提前對(duì)車輪的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析、評(píng)估與優(yōu)化，減少后期的模具修改、試驗(yàn)費(fèi)用，提高產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量與水平，無(wú)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(jì)協(xié)同的仿真工具，在國(guó)內(nèi)外車輪企業(yè)廣泛應(yīng)用。
 
2 車輪試驗(yàn)方法
汽車車輪試驗(yàn)方法：
Ø  彎曲疲勞試驗(yàn)
Ø  徑向疲勞試驗(yàn)
Ø  沖擊試驗(yàn)

 摩托車車輪試驗(yàn)方法：
Ø  彎曲疲勞試驗(yàn)
Ø  徑向疲勞試驗(yàn)
Ø  徑向沖擊試驗(yàn)
Ø  扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)
比如乘用車車輪性能要求和試驗(yàn)方法GB/T 5334-2005對(duì)車輪的動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)徑向疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)定。

2.1 動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)方法
2.2 動(dòng)態(tài)徑向疲勞試驗(yàn)方法
2.3 車輪沖壓試驗(yàn)
轎車車輪沖擊試驗(yàn)方法GB/T 15704-1995（13°沖擊試驗(yàn)）與乘用車輕合金車輪90°沖擊試驗(yàn)方法QC∕T991-2015。
以13°沖擊試驗(yàn)為例：
沖頭的下落高度應(yīng)在輪輞輪緣的最高點(diǎn)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(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)，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(cè)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(jì)算
3.1 材料特性與強(qiáng)度疲勞指標(biāo)
對(duì)于車輪的材料特性，研發(fā)能力較強(qiáng)的車輪企業(yè)會(huì)對(duì)車輪的材料特性進(jìn)行測(cè)試，不僅是標(biāo)準(zhǔn)試件的測(cè)試，更會(huì)對(duì)真實(shí)產(chǎn)品的不同部位進(jìn)行測(cè)試，充分了解材料的性能。
       基于材料的S-N曲線，對(duì)彎曲疲勞與徑向疲勞進(jìn)行性能指標(biāo)的設(shè)定，基于疲勞壽命的指標(biāo)要求，確定彎曲工況與徑向加載工況的應(yīng)力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。
3.2 彎曲工況與徑向工況的強(qiáng)度初步考核
      基于材料性能中確定的各工況的應(yīng)力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車輪的幾個(gè)典型位置（比如加載位于窗口中央或窗脅等），進(jìn)行靜力學(xué)應(yīng)力強(qiáng)度的初步評(píng)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(gè)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(jìn)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(gè)等份（比如10等份或20等份），則相應(yīng)的產(chǎn)生多個(gè)工況（10個(gè)或20個(gè)），每個(gè)工況施加彎矩或徑向載荷，進(jìn)行多工況的靜力學(xué)計(jì)算，然后基于這些工況進(jìn)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(huì)麻煩繁瑣，現(xiàn)在我們可以應(yīng)用隨時(shí)間變化的載荷進(jìn)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(gè)分量（SIN、COS分量），車軸軸向分量為0，隨時(shí)間變化，計(jì)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(jìn)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(qiáng)度與疲勞，對(duì)輪胎做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，不考慮胎面花紋、輪胎材料作一個(gè)橡膠等效材料代替，不考慮具體的胎體、鋼絲、簾布層等。為簡(jiǎn)化計(jì)算提高效率，輪胎與輪輞邊緣做粘接處理。可以做一個(gè)簡(jiǎn)化輪鼓與輪胎接觸，也可以做一個(gè)小平板與輪胎接觸，為減小計(jì)算量，車輪不轉(zhuǎn)動(dòng)，小平板沒圓周周向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行13°沖擊試驗(yàn)或90°沖擊試驗(yàn)?zāi)M，有許多車輪廠進(jìn)行不帶輪胎的沖擊試驗(yàn)，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(dòng)力學(xué)可以很好的模擬這些試驗(yàn)。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(jì)階段進(jìn)行車輪的沖擊試驗(yàn)?zāi)M，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗破壞性進(jìn)行評(píng)估與優(yōu)化，為減少模具的開發(fā)迭代費(fèi)用、試驗(yàn)費(fèi)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(yàn)?zāi)M
  • 90°沖擊試驗(yàn)?zāi)M
3.6 其它分析標(biāo)準(zhǔn)
1) GM提出的車輪側(cè)向剛度分析標(biāo)準(zhǔn)(Wheel Lateral DynamicStiffness evaluation)
2) FIAT CHRYSLER提出的車輪壓潰試驗(yàn)?zāi)M(擠壓阻力分析)
4 總結(jié)
本文從車輪的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、CAE有限元模擬等方面，較為詳細(xì)地討論總結(jié)了目前車輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度疲勞計(jì)算分析的方法、過程、指標(biāo)等內(nèi)容，并擴(kuò)展地介紹了國(guó)外目前最新的車輪試驗(yàn)與CAE模擬的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)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(tái)，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(dāng)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(shí)現(xiàn)CAD模型可來(lái)源無(wú)關(guān)性。

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