【doc】基于ABAQUS的汽车铝合金车轮旋转弯曲试验的数值模拟

【doc】基于ABAQUS的汽车铝合金车轮旋转弯曲试验的数值模拟 基于ABAQUS的汽车铝合金车轮旋转弯曲 试验的数值模拟 第23卷第9期 Vo1.23N0.9 重庆工学院(自然科学) Joumal0fChongqingInstitute0fTechnol0g)r(NatuScience) 20o9年9月 Sep.2009 基于ABAQUS的汽车铝合金车轮旋转 弯曲试验的数值模拟 王良模,陈玉发,王晨至,王清政 (南京理工大学机械工程学院,南京210o94) 摘要:基于旋转弯曲试验,运用有限元软件ABAQus建立某铝合金车轮有限元模型, 进行了车轮旋转弯曲疲劳试验的数值模拟,分析了车轮结构的薄弱处,并进行了改进设计.同时, 对改进前后的车轮进行了实际的旋转弯曲台架试验,改进后的车轮通过了实际试验,与数值模拟 结果一致.研究表明,有限元方法可以较好地模拟铝合金车轮旋转弯曲试验. 关键词:铝合金车轮;有限元;静力分析;ABAQus 中图分类号:U467文献标识码:A文章编号:1671—0924(2009)O9—0o01—04 N哪ericalSillllllatj佃ofAl啪in哪AlloyWheel Rot习ltingBendingTestBased0nABAQUS WANGLiang-mo,CHENYu—fa,WANGChen—zhi,WANGQing—zheng (Schoo10fMechanicalEnneering,NanjingUniversity0fIchnol0gy,N蚰jing210o94,China) Abstract:Thestrengthandfatiguelifearethekeytechnicalindicat0rs0faluminumaUoywhee ls. Based0nther0ta上 ingbendingtest,theFEMsoflwaIleABAQUSisusedt0establish6niteelement mode1.Withthenumcalsimulation,theweaknessstructureofthewheelisf0undand,hedesign impmves.Meanwhile,tw0m0delsbef0reandafterimpmvingdesignarec0mpared.Actualbenchtests aredone.Itisaccordantwiththenumericalsimulationthatonlytheimpr0vedwheelpassedt}I ebench test.Thel-eseaI?hsho''rs ,hatthefiniteelementmethodcanbeabettersimulationmetllodf_0r aluminumalloywheelmtatingbendingtest. Keywords:aluminumalloywheel;finiteelementanalysis;staticanalysis;ABAQUS 铝合金车轮是整车实现轻量化的重要零部件 之一,具有节油好,散热快,精度高等优点.由于铝 合金车轮是整车重要的安全部件,因此对其强度 与疲劳寿命均有很高的要求.在实际产品开发中, 通过旋转弯曲试验来检测铝合金车轮的强度和疲 劳寿命.本文中采用cAD/cAE一体化技术,对铝 合金车轮的旋转弯曲试验进行有限元分析,并对 该车轮进行改进设计,同时进行了铝合金车轮的 台架试验研究,以验证仿真结果. 收稿日期:20o9一O8一l1 作者简介:王良模(1963一),男,重庆人,博士,教授,主要从事车辆系统动力学,车辆动 态仿真,车辆测控技术 研究. 2重庆工学院 1铝合金车轮旋转弯曲试验 旋转弯曲试验又称动态横向疲劳试验,该试 验中使车轮承受一个旋转的弯矩来模拟车辆在行 驶过程中持续转弯时车轮承受弯矩的能力,行业 标准Qc/T221—1997(汽车车轮的性能要求和试 验方法)要求车轮在试验弯矩下经历一定的疲劳 循环后不能出现裂纹等破坏现象,试验方法如图1 所示一. 图l旋转弯曲试验 试验弯矩 = (+d)(1) 式(1)中:为试验弯矩(N?m),它是强化了的实 车中承受的弯矩;为轮胎和道路之间的摩擦因 数,设定为0.7;R为车轮厂或汽车制造厂规定的 该车轮配用的最大轮胎的静载荷半径(m);d为车 轮的偏距(m);F为车轮最大额定载荷(N);S为 强化试验系数J. 2基于旋转弯曲试验的铝合金车轮有限元 建模 铝合金车轮旋转弯曲试验的分析比较复杂, 因此选取有限元软件ABAQuS进行分析. ABAQus是一套功能强大的工程模拟有限元软 件,包含一个丰富的,可模拟任意几何形状的单元 库,可以模拟典型工程材料的性能,其解决问题的 范围从相对简单的线性问题到许多复杂的非线性 问题. 2.1单元类型 由于车轮造型复杂,因此采用四面体二阶修 正单元(c3D1OM)来模拟复杂外形,单元平均尺寸 为l0mm,局部尺寸可细化,单元数目为l678l7; 加载轴单元类型为c3D8R,单元尺寸为20mm,单 元数目为3162.铝合金车轮材料的国际牌号为 A356(相当于国内的zL101),加载轴为普通的钢 结构材料J. 2.2边界条件 加载轴与车轮通过螺栓连接,在整个模型中 加载轴相对于铝合金车轮来说属于刚性体,主要 关注车轮的受力变形.因此,加载轴在分析中被定 义为刚体,它与车轮的连接采用tie约束.车轮下J 部轮缘进行全约束. 2.3加载力 旋转弯曲试验中弯曲力作用在加载轴末端, 形成对车轮的弯矩作用,整个试验作用时间很长, 一 般都要往复作用l0万次左右,因此采用静态分 析.为模拟循环360.的作用,将圆周360.分为16 份,每份间隔22.5.,分别计算这16个方向上加载 力时车轮的响应.加载轴长度设为lm.本文中分 析的车轮模型静载荷半径为O.385m,将相关参 数代人式(1)得出的试验弯矩为64o9.2N?m.建 立的铝合金车轮有限元模型如图2所示. 图2铝合金车轮有限元模型 3铝合金车轮的静力学分析】 根据前处理的设置将圆周分成16份,统计各 个方向上车轮应力集中位置与应力大小.由于车 轮结构受力为复杂应力状态,因此采用第四强度 王良模,等:基于ABAQuS的汽车铝合金车轮旋转弯曲试验的数值模拟3 理论,即vonmises应力表示. 图3,图4分别为作用力在0.时车轮的应力云 图和局部应力放大图,最大应力为152.5MPa,发 生在节点lll606,是轮毂螺栓孔周围的导圆处.根 据台架试验的结果此处正是车轮破坏处之一,裂 纹由此生成,因此可以判断分析结果基本可靠. 图30.,Node:l1606应力 图4O.方向局部厘力放大图 分析作用力方向不同时车轮的应力云图,分 别统计出应力最大值,这些应力集中点即为结构 破坏点.同时由于车轮属于对称结构,360.的圆周 上在某个方向受拉必定在相反的方向受压,造成 16个方向上的受力实际有一半响应是相同的,即 O.与180.,22.5.与202.5.,45.与225.,67.5.与 247.5.,90.与270.,l12.5.与292.5.,l35.与 315.,157.5.与337.5..的响应结果是相同的,因 此,只要分析前8个方向上的结构响应即可.图5 为22.5.的应力云图,分别可得到应力最大值所对 应的节点名称和相应的应力值.由于篇幅的原因, 其余应力云图省略. 图522.5.,Node:11606应力 结果分析: 1)从O.,22.5.,45.的应力云图可以看出,应 力最大值所对应的节点均为nodel1l606,发生在 轮毂螺栓孔的周围(肋骨与轮毂面的导角连接 处),说明了此处的结构强度比较薄弱,是易于发 生破坏的地方. 2)从67.5.与l12.5.的应力云图可以看出, 应力最大值在肋骨背面逃料口的边缘.根据受力 分析,肋骨的逃料口的确是危险区域. 3)从90.的应力云图可以看出,力的方向正 对肋骨,从而使应力最大值发生在轮辐与轮毂的 结构连接处.此处承受巨大的压应力作用,而结构 又无平滑的圆角过度,因此该处应力值最大是可 能的. 4)从135.与l57.5.的应力云图可以看出,应 力最大值均在node278799,在轮毂螺栓孔的周围 (肋骨与轮毂面的导角连接处),与node1116o6关 于y轴对称. 5)比较180.与O.的应力云图可以看出,结构 的响应完全相同(应力最大值的位置和大小),说 明简化后的旋转力在结构受拉和受压2种情况下 响应是相同的,为前面只需分析一半方向上作用 力的假设提供了依据. 4铝合金车轮结构的改进 对所分析的铝合金车轮进行实际的旋转弯曲 4重庆工学院 台架试验,出现了疲劳破坏.根据前面的分析,对 该车轮进行了改进设计.为了分析改进效果,需要 将车轮在一个旋转周期出现的应力集中点统计出 来,表1,表2为改进前后关键节点的最大应力值 统计.这些应力集中点就是车轮的强度薄弱点,同 时也是最易于产生疲劳裂纹的地方,可以看出改 进后关键节点的最大应力值均有所下降. 表1关键节点最大应力值(原设计)MPa 5结束语 为了在设计阶段预测汽车铝轮毂的强度和疲 劳寿命,运用有限元分析软件ABAQuS对某铝轮 毂的弯曲试验进行了数值模拟,得出模型应力集 中点多分布在螺栓孔与逃料口,台架试验该车轮 在这2个位置出现裂纹,未能通过旋转弯曲疲劳 试验.根据仿真和试验结果,对其进行了改进设 计,改进后的车轮危险点的应力值整体降低,相应 地疲劳寿命得到提高,改进后的车轮通过了实际 的旋转弯曲台架试验.研究表明,有限元方法可以 较好地模拟铝合金车轮旋转弯曲试验. 表2关键节点应力值(改进设计后)MPa 参考文献 图6为改进前后车轮关键节点(对车轮最终 的疲劳破坏起绝对贡献)的应力与加载角度的关 系曲线,经过改进后的车轮破坏危险点的应力值 整体降低,相应地疲劳寿命会得到提高.改进后的 车轮通过了实际的旋转弯曲台架试验. 改进前后应力一角度历程曲线 图6关键节点比较的应力角度历程 [1]MichaelGuo,R踟Bhandarkar,BaITyLin.cl砌pLoad ConsideTationinFatigueIJjfePredieti0n0faCast AluminumwheelusingFiniteElementAna1ysis[z]. WarrendalePennsylvania:S0ciety0fAut0motive Enneer,20o4. [2]GnlbisicV,FischerG.Automotivewheels,Memod andPmcedurefor0ptimalDesandTesting[z]. wa不endale,Pennsylvania:S0ciety0fAut0m0tive Engineer,1983. .铝合金车轮设计及结构分析[D].杭州:浙 [3]钟翠霞 江大学.20o6. [4]赵腾伦.ABAQUs6.6在机械工程中的应用[M].北 京:中国水利水电出版社,2oo7. [5]杨立平.常见金属材料手册[D].第l版.福州:福建 科学技术出版社,20o6. [6]王霄锋,王波,赵震伟,等.汽车车轮结构强度分 析[J].机械强度,2o02,24(1):66—69. (责任编辑陈松)