鋁合金車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計有限元分析與實驗研究.pdf

1、車輪是汽車行駛系統(tǒng)中重要的安全部件，汽車前進的驅(qū)動力通過車輪傳遞，車輪的結(jié)構(gòu)性能對整車的安全性和可靠性有著重要的影響。為滿足強度及疲勞等的要求，ISO、JASO及GB等標準均規(guī)定，汽車鋁合金車輪必須進行彎曲疲勞試驗、徑向滾動疲勞試驗和沖擊試驗。傳統(tǒng)的車輪設(shè)計多憑借經(jīng)驗展開，存在著設(shè)計盲目性大、設(shè)計制造周期長、成本高等弊端。面對日益激烈的市場競爭，企業(yè)迫切需要采用科學的手段改善設(shè)計方法。本文以浙江大學與浙江萬豐奧威汽輪股份有限公司的合作項

2、目“鋁合金車輪輕量化設(shè)計與開發(fā)”為背景，研究車輪結(jié)構(gòu)的有限元分析方法，在設(shè)計初期預(yù)測車輪試驗的結(jié)果，提出輕量化和改進方案，解決傳統(tǒng)車輪設(shè)計存在弊端的問題。 為了達到研究目的，以固體力學(包括彈性力學、沖擊動力學)數(shù)值模擬為理論依據(jù)，車輪結(jié)構(gòu)實際性能試驗和實驗應(yīng)力方法相結(jié)合，先后建立了汽車車輪彎曲疲勞試驗和13°沖擊試驗的靜態(tài)彈性有限元分析模型和動態(tài)有限元分析模型，并通過試驗手段進行了驗證。在建立車輪彎曲疲勞試驗有限元分析模型時，

3、通過建立瞬態(tài)載荷函數(shù)，模擬了旋轉(zhuǎn)彎矩的作用，得出了車輪在旋轉(zhuǎn)彎矩作用下的應(yīng)力分布變化情況。在建立車輪沖擊試驗有限元分析模型時，首先進行了正則模態(tài)分析，以半正弦函數(shù)的沖擊載荷譜進行了動態(tài)響應(yīng)分析，初步實現(xiàn)了車輪結(jié)構(gòu)的動態(tài)有限元分析。 首先，針對車輪結(jié)構(gòu)的三大性能試驗進行了靜態(tài)彈性有限元分析，分析中車輪結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)通過在實際車輪結(jié)構(gòu)上取樣，進行標準拉伸試驗獲得，在靜態(tài)彈性分析中不考慮材料后期的塑性變形，只取彈性階段的彈性模量E和泊

4、松比μ作為材料參數(shù)，在最大應(yīng)力不超過車輪材料屈服強度的條件下，通過靜態(tài)彈性有限元分析可以得到車輪結(jié)構(gòu)在相應(yīng)試驗條件下的應(yīng)力分布，對于優(yōu)化車輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計有一定的指導意義。對沖擊試驗的靜態(tài)分析分別通過計算動荷系數(shù)和計算瞬時最大沖擊載荷兩種載荷計算方法，進行了分析，并對結(jié)果進行了比較，通過瞬時最大沖擊載荷加載更合理。 然而，車輪結(jié)構(gòu)的彎曲疲勞試驗和沖擊試驗均為動態(tài)試驗，因此，有必要對其建立動態(tài)有限元分析模型，從而更準確地得到車輪結(jié)構(gòu)在

5、試驗條件下的響應(yīng)情況。首先，對車輪結(jié)構(gòu)進行了彎曲疲勞試驗和沖擊試驗條件下的模態(tài)分析，分析了車輪結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型和特點；然后，對車輪結(jié)構(gòu)進行了旋轉(zhuǎn)彎矩動態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)在彎曲疲勞試驗中車輪結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力是非對稱循環(huán)應(yīng)力。針對兩種彎曲疲勞試驗裝置工作原理的不同，對車輪結(jié)構(gòu)進行了離心力分析，通過分析表明兩種試驗裝置的試驗結(jié)果是一致的。 在對車輪結(jié)構(gòu)進行了沖擊試驗條件下的模態(tài)分析后，參考相關(guān)文獻，假定沖擊載荷符合半正弦函數(shù)，對車輪結(jié)構(gòu)在該沖擊載

6、荷作用下的動態(tài)響應(yīng)進行了分析，由于I-DEAS軟件碰撞分析是基于兩個假設(shè)進行的，一是碰撞發(fā)生于事件的初始時刻，二是碰撞的持續(xù)時間極短以致可以忽略，因此，該動力學碰撞分析實際上進行的結(jié)構(gòu)碰撞后的響應(yīng)計算。分析得到了沖擊試驗后車輪結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力、速度和加速度響應(yīng)，車輪結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力響應(yīng)對于評判車輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計強度，指導車輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化起到了一定作用，但車輪結(jié)構(gòu)的沖擊試驗涉及輪胎大變形、氣固耦合、接觸等問題，要做到完全準確地建立其有限元分析模型還

7、有一定難度，這將是今后研究工作的重點。 采用動態(tài)電阻應(yīng)變儀及數(shù)據(jù)采集儀，利用實驗應(yīng)力分析電測法原理，對車輪結(jié)構(gòu)在彎曲疲勞試驗和沖擊試驗中的應(yīng)力情況進行了實測，并采用先進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對試驗數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)挖掘處理。對彎曲疲勞試驗中車輪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測量結(jié)果表明，本文建立的車輪結(jié)構(gòu)動態(tài)彎曲疲勞試驗有限元模型是正確的，有限元計算結(jié)果能很好的反應(yīng)車輪結(jié)構(gòu)在實際彎曲疲勞試驗中的應(yīng)力情況；而對沖擊試驗中車輪結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力測量結(jié)果表明，在沖擊試驗中

8、，車輪結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力波存在大約6個波峰，沖擊作為一個瞬態(tài)的大位移和大變形過程，涉及幾何、材料、接觸狀態(tài)等多重非線性，因此，試驗數(shù)據(jù)的獲得是很寶貴的，對于提高數(shù)值模擬精度有指導意義。 以某型車輪為例進行了實驗應(yīng)力分析和極限疲勞壽命試驗，擬建立一條有限元分析應(yīng)力結(jié)果和實驗應(yīng)力分析結(jié)果與車輪結(jié)構(gòu)實際極限疲勞壽命相對應(yīng)的曲線，可以用做今后彎曲疲勞試驗壽命預(yù)測的判定依據(jù)。以某型車輪結(jié)構(gòu)為例，從初始設(shè)計，有限元分析后輕量化改進，到最終產(chǎn)品投產(chǎn)

9、，通過試驗，介紹了輕量化的多種方法，根據(jù)很多類似的經(jīng)驗，提出了各種尺寸規(guī)格車輪結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的目標重量。 本文圍繞車輪結(jié)構(gòu)的性能試驗，旨在提升車輪自主設(shè)計水平，進行了有限元分析方法的研究，并通過實驗應(yīng)力分析對本文建立的有限元分析模型進行了驗證，指出了有限元分析的合理和不足之處，并通過極限疲勞壽命試驗，建立了一條實用的車輪結(jié)構(gòu)材料S-N曲線。提出基于等效損傷原則的沖擊響應(yīng)譜分析，對車輪結(jié)構(gòu)沖擊試驗的實驗應(yīng)力分析結(jié)果進行了頻譜分析，