鋁合金車(chē)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、車(chē)輪是汽車(chē)行駛系統(tǒng)中重要的安全部件，汽車(chē)前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力通過(guò)車(chē)輪傳遞，車(chē)輪的結(jié)構(gòu)性能對(duì)整車(chē)的安全性和可靠性有著重要的影響。為滿(mǎn)足強(qiáng)度及疲勞等的要求，ISO、JASO及GB等標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定，汽車(chē)鋁合金車(chē)輪必須進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)、徑向滾動(dòng)疲勞試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。傳統(tǒng)的車(chē)輪設(shè)計(jì)多憑借經(jīng)驗(yàn)展開(kāi)，存在著設(shè)計(jì)盲目性大、設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)、成本高等弊端。面對(duì)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，企業(yè)迫切需要采用科學(xué)的手段改善設(shè)計(jì)方法。本文以浙江大學(xué)與浙江萬(wàn)豐奧威汽輪股份有限公司的合作項(xiàng)

2、目“鋁合金車(chē)輪輕量化設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)”為背景，研究車(chē)輪結(jié)構(gòu)的有限元分析方法，在設(shè)計(jì)初期預(yù)測(cè)車(chē)輪試驗(yàn)的結(jié)果，提出輕量化和改進(jìn)方案，解決傳統(tǒng)車(chē)輪設(shè)計(jì)存在弊端的問(wèn)題。 為了達(dá)到研究目的，以固體力學(xué)(包括彈性力學(xué)、沖擊動(dòng)力學(xué))數(shù)值模擬為理論依據(jù)，車(chē)輪結(jié)構(gòu)實(shí)際性能試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)應(yīng)力方法相結(jié)合，先后建立了汽車(chē)車(chē)輪彎曲疲勞試驗(yàn)和13°沖擊試驗(yàn)的靜態(tài)彈性有限元分析模型和動(dòng)態(tài)有限元分析模型，并通過(guò)試驗(yàn)手段進(jìn)行了驗(yàn)證。在建立車(chē)輪彎曲疲勞試驗(yàn)有限元分析模型時(shí)，

3、通過(guò)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(chē)輪在旋轉(zhuǎn)彎矩作用下的應(yīng)力分布變化情況。在建立車(chē)輪沖擊試驗(yàn)有限元分析模型時(shí)，首先進(jìn)行了正則模態(tài)分析，以半正弦函數(shù)的沖擊載荷譜進(jìn)行了動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，初步實(shí)現(xiàn)了車(chē)輪結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)有限元分析。 首先，針對(duì)車(chē)輪結(jié)構(gòu)的三大性能試驗(yàn)進(jìn)行了靜態(tài)彈性有限元分析，分析中車(chē)輪結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)通過(guò)在實(shí)際車(chē)輪結(jié)構(gòu)上取樣，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)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(guò)車(chē)輪材料屈服強(qiáng)度的條件下，通過(guò)靜態(tài)彈性有限元分析可以得到車(chē)輪結(jié)構(gòu)在相應(yīng)試驗(yàn)條件下的應(yīng)力分布，對(duì)于優(yōu)化車(chē)輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。對(duì)沖擊試驗(yàn)的靜態(tài)分析分別通過(guò)計(jì)算動(dòng)荷系數(shù)和計(jì)算瞬時(shí)最大沖擊載荷兩種載荷計(jì)算方法，進(jìn)行了分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較，通過(guò)瞬時(shí)最大沖擊載荷加載更合理。 然而，車(chē)輪結(jié)構(gòu)的彎曲疲勞試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)均為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，因此，有必要對(duì)其建立動(dòng)態(tài)有限元分析模型，從而更準(zhǔn)確地得到車(chē)輪結(jié)構(gòu)在

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

6、荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析，由于I-DEAS軟件碰撞分析是基于兩個(gè)假設(shè)進(jìn)行的，一是碰撞發(fā)生于事件的初始時(shí)刻，二是碰撞的持續(xù)時(shí)間極短以致可以忽略，因此，該動(dòng)力學(xué)碰撞分析實(shí)際上進(jìn)行的結(jié)構(gòu)碰撞后的響應(yīng)計(jì)算。分析得到了沖擊試驗(yàn)后車(chē)輪結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力、速度和加速度響應(yīng)，車(chē)輪結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力響應(yīng)對(duì)于評(píng)判車(chē)輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，指導(dǎo)車(chē)輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化起到了一定作用，但車(chē)輪結(jié)構(gòu)的沖擊試驗(yàn)涉及輪胎大變形、氣固耦合、接觸等問(wèn)題，要做到完全準(zhǔn)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(diǎn)。 采用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀及數(shù)據(jù)采集儀，利用實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析電測(cè)法原理，對(duì)車(chē)輪結(jié)構(gòu)在彎曲疲勞試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)中的應(yīng)力情況進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并采用先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)挖掘處理。對(duì)彎曲疲勞試驗(yàn)中車(chē)輪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明，本文建立的車(chē)輪結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)有限元模型是正確的，有限元計(jì)算結(jié)果能很好的反應(yīng)車(chē)輪結(jié)構(gòu)在實(shí)際彎曲疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)力情況；而對(duì)沖擊試驗(yàn)中車(chē)輪結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明，在沖擊試驗(yàn)中

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

9、，通過(guò)試驗(yàn)，介紹了輕量化的多種方法，根據(jù)很多類(lèi)似的經(jīng)驗(yàn)，提出了各種尺寸規(guī)格車(chē)輪結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)重量。 本文圍繞車(chē)輪結(jié)構(gòu)的性能試驗(yàn)，旨在提升車(chē)輪自主設(shè)計(jì)水平，進(jìn)行了有限元分析方法的研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析對(duì)本文建立的有限元分析模型進(jìn)行了驗(yàn)證，指出了有限元分析的合理和不足之處，并通過(guò)極限疲勞壽命試驗(yàn)，建立了一條實(shí)用的車(chē)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(duì)車(chē)輪結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行了頻譜分析，