基于ANSYS Workbench的汽車鋁合金輪轂彎曲疲勞強度有限元分析*

焦洪宇，夏葉，趙榮，范麗穎

?

基于ANSYS Workbench的汽車鋁合金輪轂彎曲疲勞強度有限元分析*

焦洪宇，夏葉，趙榮，范麗穎

（常熟理工學院汽車工程學院，江蘇 蘇州 215500）

文章以鋁合金輪轂為研究對象，在CATIA中建立汽車輪轂的三維模型，并導入到ANSYS Workbench軟件中生成輪轂和加載臂的幾何模型。依據國家標準GB/T5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》中動態彎曲疲勞試驗的性能要求和試驗方法，建立輪轂的有限元模型并進行有限元分析，獲得輪轂的等效應力云圖、等效應變圖以及總變形云圖。在此基礎上，分析輪轂的疲勞壽命和安全系數，判斷輪轂的疲勞強度是否符合國家標準的要求。

鋁合金輪轂；彎曲疲勞；有限元分析；ANSYS Workbench

前言

汽車鋁合金輪轂以優異的散熱性能，較輕的質量和色澤多樣、精致美觀等優點正逐漸替代鋼制輪轂[1]。有關鋁合金輪轂的研究也越發廣泛[2-4]。邊雷雷[5]以重載車用大尺寸低壓鑄造鋁合金輪轂為研究對象，結合有限元法和疲勞分析法，建立輪轂動態彎曲和動態徑向疲勞試驗模擬有限元模型，利用靜態分析法來預測動態過程中的最大應力位置以及疲勞破壞位置。崔璨[6]以某小型菱形車鋁合會輪轂為研究對象，運用有限元分析法對鋁合金輪轂的設計、強度及疲勞壽命進行研究。

本文以汽車輪轂15*31/2J為研究對象，該輪轂采用鋁合金A356材料。依據國家標準GB/T3487-2005《汽車輪輞規格系列》，在CATIA中建立汽車輪轂(包含加載臂)的三維模型，并導入到ANSYS Workbench軟件中生成輪轂和加載臂的幾何模型。依據國家標準GB/T5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》中動態彎曲疲勞試驗的性能要求和試驗方法，建立輪轂的有限元模型并進行彎曲疲勞強度有限元分析，獲得輪轂的等效應力云圖、等效應變云圖以及總變形云圖。在此基礎上，分析輪轂的疲勞壽命和安全系數，判斷輪轂的疲勞強度是否符合要求。

1 汽車輪轂動態彎曲疲勞試驗

國家標準GB/T5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》[7]規定了乘用車車輪的疲勞試驗性能要求和試驗方法。試驗項目包括動態彎曲疲勞試驗和動態徑向疲勞試驗。動態彎曲疲勞試驗試驗臺試驗臺應有一個被驅動的旋轉裝置，車輪可在固定不動的彎矩下旋轉，或者車輪固定不動，而承受一個旋轉的彎矩，如圖1所示。

圖1 動態彎曲疲勞試驗

2 汽車鋁合金輪轂有限元模型

2.1 汽車輪轂三維模型

本文的研究對象為深槽鋁合金輪轂，依據國家標準GB/T3487-2005《汽車輪輞規格系列》[8]，選擇5°深槽輪輞(5DC)中的J型輪廓形式，具體規格為15*31/2J，設置螺栓孔的節圓直徑PCD值為112mm，共計5個螺栓孔，規格為M14，中心孔CB值為57mm。

依照國標GB/T5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》的相關要求，在進行汽車輪轂的彎曲疲勞試驗時需要加載臂。根據輪轂的設計，加載臂的臂長為0.5m，軸徑為57mm。加載臂的軸與中心孔相連，半徑與孔徑相同，長度設置500mm。在CATIA中建立汽車輪轂(包含加載臂)的三維模型如圖2所示。

圖2 汽車輪轂三維模型

將CATIA軟件繪制的輪轂三維模型導入ANSYS Workbench軟件中生成輪轂和加載臂的幾何模型，如圖3所示。

圖3 輪轂和加載臂的幾何模型

2.2 定義材料屬性

根據國標GB/T5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》的要求，汽車輪轂材料為鋁合金A356，加載臂材料為鋼，這兩種材料的性能參數如表1所示。

表1 輪轂與加載臂的材料屬性

2.3 定義S-N曲線

通過查閱資料可知鋁合金A356的彎曲疲勞極限-1= 120MPa，循環基數N0=107。根據趙杰[9]等人在鋁合金A356疲勞實驗中獲得S-N曲線擬合公式為：

鋁合金A356的疲勞-曲線如圖4所示。

圖4 鋁合金A356疲勞曲線

2.4 汽車輪轂有限元模型

選擇自動生成的自由劃分的網格。在自由網格劃分時 , 網格大小設置為10mm，約束的形式以試驗為依據。由于該幾何模型涉及到兩個零件，即輪轂與加載臂。為了使輪轂與加載臂聯系更加緊密，力的傳導更加流暢，需要進行連接處理。最終獲得汽車輪轂有限元模型如圖5所示。

圖5 汽車輪轂有限元模型

2.5 輪轂彎曲試驗軸端力計算

輪轂所受的最大載荷[10]可以表示為：

式中：—汽車自身的重量，—載荷影響系數；—汽車滿載負荷，取 5 個人再加上貨物的重量。

輪轂在實際工況下，不僅支撐了整個汽車的載重，而且還承受了彎曲載荷：

式中：—汽車在行駛時，路面與輪胎之間的摩擦系數；—靜負荷半徑；—輪轂的偏置距；—輪轂最大額定載荷，由輪轂廠規定，通常取F=F；—強化實驗系數，即安全系數，取 1.6。

輪轂受到偏心力：

式中：為加載臂的長度。

3 輪轂彎曲疲勞試驗仿真及分析

對輪轂的有限元模型進行彎曲疲勞強度仿真分析，獲得輪轂的等效應力云圖、等效應變云圖以及總變形云圖，如圖6-8所示。

圖6 等效應力云圖

圖7 等效應變云圖

圖8 總變形云圖

如圖6所示，由于彎矩的作用，輪輻受到的影響最大，螺栓孔的邊緣處以及加載臂與輪轂的連接處承受較大的應力，最大應力為131.28Mpa，小于鋁合金A356的屈服強度240Mpa，因此輪轂具有較強的強度儲備。

如圖7所示，輪轂的應變與應力分布具有相關性，由于彎矩的作用，對應變最敏感的是輪輻及其附近，最大值為1.8233e-03。如圖8所示，最大變形在輪輻的邊緣為0.2711 mm，最大變形量的20%大于最大應變量0.001823，符合國家標準，可以進行疲勞分析。

4 輪轂疲勞分析

通過疲勞分析獲得輪轂的疲勞壽命圖和安全系數圖，如圖9、10所示。

如圖9所示，輪轂在彎矩作用下的最小循環次數為4.0983e+006，該循環次數高于國標GB/T5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》的要求的最低循環次數1.e+006，滿足國家標準要求。如圖10所示，疲勞安全系數的較小值出現在應力較大處，對于設計壽命為1.e+006的輪轂，最小疲勞安全系數1.1358出現在孔附近，小于實驗強化系數1.6，由于絕大部分都滿足大于1.6的要求，因此并不影響輪轂的整體性能。

圖9 疲勞壽命圖

圖10 疲勞安全系數圖

5 結論

（1）以汽車輪轂15*31/2J為研究對象，依據國家標準GB/T3487-2005《汽車輪輞規格系列》，在CATIA中建立汽車輪轂(包含加載臂)的三維模型，并導入到ANSYS Work bench軟件中生成輪轂和加載臂的幾何模型。

（2）依據國家標準GB/T5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》中動態彎曲疲勞試驗的性能要求和試驗方法，建立輪轂的有限元模型并進行有限元分析，獲得輪轂的等效應力云圖、等效應變圖以及總變形云圖。

（3）分析輪轂的疲勞壽命和安全系數，判斷輪轂的疲勞強度是否符合要求。

[1]李維俊,鄒武錦.ANSYS Workbench在鋁合金輪轂結構靜力學分析中的應用[J].山東工業技術.2017,(19):7-9.

[2] 陸洋.汽車輪轂有限元分析及優化[D].廣西科技大學,2015.

[3] 趙宇.基于ANSYS Workbench的汽車鋁合金車輪強度分析[D]. 河北:河北工業大學. 2010.

[4] 張寧.鋁合金輪轂受力狀態的有限元分析與優化設計[D].重慶: 重慶大學. 2010.

[5] 邊雷雷.重載車低壓鑄造鋁合金輪轂疲勞壽命分析研究[D].沈陽: 沈陽理工大學. 2014.

[6] 崔璨.小型菱形車鋁合金輪轂強度與疲勞壽命研究[D].湖南:湖南大學.2012.

[7] GB/T3487-2005.汽車輪輞規格系列[S].

[8] GB/T5334-2005.乘用車車輪性能要求和實驗方法[S].

[9] 趙杰,曹喜彪,張敏紅.鑄造缺陷對A356鋁合金缸蓋疲勞性能的影響[J].上海金屬,2015,卷號（37）:6-10.

[10] 宋淵.基于ANSYS的汽車鋁合金輪轂彎曲疲勞分析與優化[D]. 安徽:合肥工業大學.2014.

Finite Element Analysis of Bending Fatigue Strength for Aluminum Alloy Wheel Hub based on ANSYS Workbench*

Jiao Hongyu, Xia Ye, Zhao Rong, Fan Liying

( College of Mechanical Engineering, Changshu Institute of Technology, Jiangsu Suzhou 215500 )

Taking aluminium alloy wheel hub as research object, 3D model of automobile hub is established based on CATIA and imported into ANSYS Workbench to obtain the geometric model of hub and loading arm. Finite element model of hub is set up and finite element analysis is conducted base on GB/T5334-2005 Performance requirements and test methods of passenger car wheels. The nephograms of equivalent stress, equivalent strain and total deformation are obtained. The fatigue life and safety factor of hub are analyzed in order to estimate whether fatigue strength of the hub meets the require -ments of national standard.

aluminum alloy wheel hub; bending fatigue; finite element analysis; ANSYS Workbench

A

1671-7988(2018)22-40-03

U463.343

A

1671-7988(2018)22-40-03

U463.343

焦洪宇，男，（1981-），博士，副教授，主要研究方向機械結構輕量化關鍵技術研究。

國家自然科學基金資助項目(51605046)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.013