基于Hyperworks摩托車輪轂90度動態沖擊仿真與測試對標的研究與應用

梁玉紅，王志方，王圣梁

（萬豐奧特控股集團有限公司，浙江 新昌 312580）

仿真和測試是工程師發現、了解并解決產品工程質量問題的2種有效方法，隨著計算機硬件及算法的發展，CAE軟件在滿足工程設計需要的同時，也在不斷地走向成熟，越來越多的產品測試被仿真分析取代，因此，仿真模型及算法較之前更需要真實的測試數據作為依托，同時，有效準確的測試變得更加重要，而CAE仿真又正是幫助實現規劃有效測試的最佳途徑[2]。

1 CAE仿真與測試的協同

CAE的核心思想是以復雜工程問題為背景，建立經過簡化、離散的分析模型，借助計算機數值模擬獲得相應物理行為的解答，通過真實或縮減的試驗模型進行測量，可先期獲得支撐CAE模型的相關參數，并可依據分析-測試相關性技術驗證CAE模型的準確有效性并進行相應優化，通用比較彼此之間的相似性和差異性，尋找可能造成誤差的位置和區域，從而可以從網格、幾何、連接和屬性等方面修正分析模型中的不確定因素

CAE分析 CAT測試

圖1 CAE仿真與CAT測試間的關系

2 有限元計算模型建立

2.1 模型簡介

摩托車鋁合金輪轂的沖擊試驗有30°和90°兩種，本研究以90°沖擊試驗作為沖擊模型，試驗室實際試驗及示意圖如圖2所示，該模型由輪轂、輪胎和兩個沖錘組成，主錘和副錘通過彈簧連接，輪轂中心線平行于地面，輪轂氣門孔正對朝上，輪轂兩側中心孔使用專用夾具進行完全約束，沖錘在一定高度下自由落體，試驗后看輪轂是否出現貫穿性裂紋。

圖2 試驗室試驗模型

2.2 模型設定及材料定義

通過UG軟件建立鋁合金輪轂模型，將三維模型導入Hyperworks軟件進行網絡劃分，為確保單元質量，先劃分面網格，再由面網格生成體網格。先劃分正三角形面網格單元，面網格單元質量得到保證后，生成四面體網格單元。根據行業標準及產品幾何尺寸，確定輪轂模型選擇單元邊長為 3mm 的正三角形網格進行劃分，半圓柱壓塊因結構簡單，且為非研究對象，選擇20mm 的四邊形網格單元進行劃分。

對一些可能發生局部應力較大的細節采用更小尺寸三角單元進行離散逼近，充分發揮三角單元適應性強的優點，以優化網格的連接質量。網格劃分完成以后，單元個數為215911個，節點為61531個。單元質量檢查規范見表1。

表1 網格質量控制

根據產品拉伸試驗數據設置材料參數，材料參數如表2所示。

表2 輪轂材料屬性

2.3 邊界條件

(1)約束。約束輪轂中心孔全部自由度，約束沖錘除沖擊方向外的所有自由度，保證沖錘只在沖擊方向運動。

（2）載荷。重錘實際高度為輪胎上方：150mm處；根據自由落體運動，沖錘整體接觸到輪胎時刻初速度V=，為1714.64mm/s，主錘重量285kg,副錘重量40kg,主錘和副錘之間采用1D spring單元模擬彈簧，剛度K為600N/mm。沖錘接觸輪胎后的速度變化如圖3所示。

圖3 沖錘速度變化

2.4 輪胎建模

輪胎主要由橡膠材料和鋼絲簾線構成。其中鋼絲簾線本構模型采用線彈性模型，橡膠材料是典型的粘彈性材料，本系統采用Yeoh模型作為橡膠材料本構模型，其應變能密度函數為W=C10(I1-3) +C20(I1-3)2+C30(I1-3)3,式中，I1為第一階應變不變量，C10、C20和C30為模型參數，通過試驗數據擬合獲得[3]。

試驗要求為輪胎胎壓288kPa,本次分析模型通過Radioss模塊下的airbag氣囊模擬胎壓[4]，胎壓模塊界面如圖4所示。

圖4 胎壓模塊用戶界面

3 應力實驗

為驗證有限元分析的準確性，對鋁合金車輪進行應力應變試驗。試驗沖擊載荷為325kg，沖擊錘下落高度為150mm，輪胎胎壓為288kPa，將測試車輪貼上應變片后，應力測試點位于氣門孔正對輪輞處，將測試車輪貼上應變片后，與動態應變儀連接，經預熱、彈性模量等參數設置、平衡清零后進行測量，測量結果如圖5所示為178.6MPa。

在沖擊試驗過程中，沖擊錘會首先接觸橡膠輪胎并產生彈跳，每次彈跳產生的應力突變會越來越小，直至趨于一定值，從圖5中可以看出沖擊試驗過程的車輪結構存在明顯的多次應力突變，與實際應力變化過程一致。

圖5 沖擊疲勞應力曲線

4 計算結果分析

采用Radioss求解器進行計算，對求解后的應力和應變結果進行分析，應力結果如圖6所示，應變結果如圖7所示。

由云圖可以看出，最大應力和最大應變都在氣門孔正對的輪輞處，仿真所得應力、應變值最大位置與實驗室果相同，由表3 可以看出，仿真數值與實驗數值接近，證明該仿真驗證有效。

圖6 應力云圖

圖7 應變云圖

表3 結果對比

5 結論

結果表明，在對應的客戶試驗標準下，非線性動態沖擊試驗仿真分析中應力和應變與實際試驗的位置相同，仿真試驗的應力、應變曲線和試驗基本一致，均在行業標準允許范圍內，通過實驗室驗證，證明該方法科學、有效，可以推廣至工程化應用。該材料非線性的沖擊試驗仿真探索，仿真結果不需要經過經驗公式的修正，可直接作為試驗結果進行更為直觀的比較驗證，能夠更加真實、準確地模擬沖擊試驗，仿真結果簡單直接，極大地提高了沖擊試驗的分析準確率。

本次分析模型輪轂和輪胎建模均以實際試驗參數，盡可能的與實際試驗貼近，通過該仿真試驗，為沖擊試驗提供了一種新的研究方法，提高了仿真分析的準確性，也驗證了應力測試的方法可行性，為產品結構的可靠性設計提供了技術驗證和支撐，也可以準確的分析出質量缺陷產生的原因，并針對質量缺陷提出了改善方案，對產品的生產和試模提供了技術指導，減少了模具開發、設計、制造的陳本，為產品量產質量的提高提供了一種重要的途徑，為公司的經濟效益的提升起到了重大作用。