基于有限元的鋁合金汽車輪轂彎曲疲勞研究

王軍

摘要：本文簡要討論了鋁合金汽車輪轂的相關研究：鋁合金輪轂鋁合金成型工藝、鋁合金輪轂性能分析、增強鋁合金輪轂性能途徑;以有限元分析形式，探索了鋁合金輪轂彎曲應力分布情況：有限元分析方法、鋁合金輪轂幾何參數、載荷分析、數據模擬、疲勞分析，以期獲取鋁合金汽車輪轂性能，獲取其彎曲疲勞性能，為相關研究提供研究依據。

關鍵詞：載荷;鋁合金;成型工藝

中圖分類號：O242.21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0022-02

0? 引言

汽車輪轂位于汽車行駛系統中，作為汽車行駛系統中較為關鍵的組成元素，在符合汽車行駛系統相關性能的基礎上，應盡可能地控制汽車輪轂質量。一般工藝方法，難以在維護輪轂安全的同時控制其質量，產品研發周期具有不受控性，生產成本無法獲得優化。此外，車輪與各區域地形、地面在相互接觸時，將會在時間疊加背景下，承受各類彎矩與載荷的共同影響，對其性能耐久性發起挑戰。

1? 鋁合金汽車輪轂的相關研究

1.1 鋁合金輪轂成型工藝

現階段輪轂成型工藝主要表現為三種形式：第一種形式為鑄造輪轂，第二種形式為鍛造輪轂，第三種形式為MAT旋壓工藝。

第一種成型工藝中可分成重力、低壓兩種形式。①重力鑄造工藝是在鑄模中添加鋁液自身重力，繼而使模具獲得填充。重力鑄造的成型優勢在于：鍛造成本較低。重力鑄造的成型缺陷在于：鍛造期間極易形成瑕疵問題。②低壓鑄造成型工藝在鑄模中添加鋁液，在添加期間借助了設備外部壓力，便于鋁液在特定壓力作用下形成凝固狀態。鋁液在受壓情況下，將會形成密度較大、強度較高的結構。

第二種鍛造成型工藝在鍛壓機的輔助作用下，成功對固態鋁合金材料增加壓力，使其在擠壓狀態下成型。鍛造工藝生產獲得的產品，相比鑄造產品更具堅固性能、質量更為輕便。

第三種MAT旋壓工藝，相比鍛造與鑄造更具成型優勢[1]。

1.2 鋁合金輪轂性能分析

汽車生產體系中，關于安全生產的內容，給予了較為標準的規定：即新型輪轂應完成三項性能測試：第一種測試為沖擊、第二種測試為徑向疲勞、第三種測試為彎曲疲勞。以第三種測試為主，開展輪轂彎曲疲勞性能的相關測試。測試裝置以彎曲疲勞性能測定設備為依據，開展性能分析，獲取輪轂運行安全性能。結合標準手冊內容可知：測定試驗需在螺母位置添加115%重力。在此過程中，借助外力提升螺栓與螺母之間形成的協調性。添加重力允許偏差應小于2.5%。

1.3 增強鋁合金輪轂性能途徑

增強鋁合金輪轂性能的途徑有兩種，第一種途徑為固溶，第二種途徑為沉淀。

①第一種固溶方法是將有益合金元素融合在鋁合金熔融液體中，保障益合金元素數量的充足性。在加工處理的基礎上，便于有益合金元素能夠處于固溶體，以此借助固溶強化，增強鋁合金輪轂性能。

②第二種沉淀方法是在高溫條件下，綜合開展熱處理程序，在短時間內迅速完成溫度下調，在低溫狀態下維持溫度一段時間，以此提升合金提取相的能力，加強合金應力調整，以此提升合金性能。由此發現：沉淀方法在增強輪轂性能時，將會受到溫度條件的影響。

2? 有限元分析鋁合金輪轂彎曲應力分布情況

2.1 有限元分析方法

有限元分析方法的關鍵在于：離散處理，將研究主體有效劃分成若干小單元，逐一開展研究活動;繼而添加較為適宜的條件、載荷等因素，便于獲得研究內容。結合虛功理念，有效確定單元剛度矩陣，科學獲取等效節點;再結合理論力學相關平衡思想，加強結構體節點形成位移與載荷關系分析，完成矩陣搭建;在矩陣聯合期間獲取節點位移范圍。通常較為復雜的問題，均可借助有限元方法予以分析。

2.2 鋁合金輪轂幾何參數

在有限元分析時，汽車輪轂材料為鋁合金，規格為A356。材料屬性如表1所示，材料力學性能如表2所示，三維分析模型為圖1所示。

2.3 載荷分析

測定輪轂彎曲疲勞性能期間，假設輪轂結構承受的力包括：螺栓預緊力、旋轉離心力、彎矩。螺栓應力作用于螺栓孔位置時，稱之為螺栓預緊力，此作用力將會在輪轂螺栓口周邊產生作用，具有內力性質，輪轂其他位置將不會受到此種應力的影響[2]。為此，開展螺栓預緊力優化處理方式，以微型車配置車輪為實體，結合實體相關彎曲疲勞試驗標準，計算輪轂能夠承受的荷載最大值，具體計算方式為：①Fmax=■;關系式①中，汽車自身質量為W，結合汽車實際運行情況，n取值為1.21，G表示汽車最大能夠承受的負荷值。汽車性能參數，具體表現為：整體質量為W=1260千克，載荷飽和承受量為L=2000千克，G的計算方式為9.8×L，計算結果為12348牛。結合公式①獲得輪轂能夠承受的荷載最大值為8247牛。

公式②M=（r×u+d）×F×S。在關系式②中：求解的是M力矩;u表示在汽車實際運行期間，地面與汽車兩個主體之間形成的摩擦系數，此數值為0.7;r表示的是靜負荷半徑，具體取值為0.35;d表示的是輪轂偏徑，具體取值為0.034;F表示輪轂運行能夠承受的荷載最大值，此參數為其賦值為8565牛;S表示的是行車安全系數，賦值為1.61。結合公式②、參數賦值情況，獲得M計算結果約為3837牛。

由于汽車輪轂曲面立體結構具有繁雜性，為此汽車輪轂在增加負載時，受力分布不具有分析便利。為提升輪轂性能分析效果，將輪轂彎曲受力的F予以細分，將其從x、y兩個方面予以分解，x方向的分解力表示為Fx=sinwt×F，y方向分解力表示為Fy=coswt×F，其中t表示的受力時間，此數值具有動態變化特征，w表示的是車輪轉動期間形成的角速度。

2.4 數據模擬

開展數據模擬分析，在分析軟件中導入各類數據，導入的數據包括：鋁合金材質、彈性模量、泊松比、材料密度等，將表1中A356鋁合金材料各項屬性完整導入。此外，輪轂曲面模型具有復雜性，在開展精準分析期間，劃分主體為網格，劃分方式為單元劃分法。單元劃分法能夠保障劃分期間，對分析主體具有針對性，減少客觀因素對分析過程產生影響。Solid186單元劃分法，其劃分依據是結合模型曲面存在的差異性，將其有效劃分為三棱柱、四面體單元等，以此緩解外觀不規則模型的劃分問題，提升網格劃分效果[3]。單元劃分完成時，節點數共計149458，單元數有85101，由此獲得有限元模型。在數據模擬期間，在輪轂兩個側面圓端位置，添加具有固定性質的約束力，在軸遠端完成集中力載荷的添加，以此完成彎曲狀態時荷載受力分布的模擬試驗。

2.5 疲勞分析

①輪轂在較為繁雜應力承受的情況下，結合第四強度理論中關于米塞斯應力的相關內容，完成輪轂在x、y兩個方向實際承受載荷力的性能模擬，獲取等效應力分布分析結果。等效應力分布的分析結果為：1）在y方向等效應力的最大值情況為：軸輪位置應力分析結果分別為151.2MPa、152.0MPa。分析數據顯示情況為：均值為75%。2）在x方向等效應力最大值分別為151.3MPa、147.4MPa。分析數據顯示情況為：均值為75%。由此確定在x、y兩個方向，輪轂承受的最大應力為152.0MPa。

②開展輪轂現場試運行測試，設定20萬轉相條件，開展彎曲疲勞性能測試，獲得性能分析結果，具體表現為：輪轂正面、背面未表現出較為明顯的疲勞損壞問題;軸、輪轂相連位置表現出輕微受損情況;輪輻周邊輪芯位置具有性能受損趨勢。

③由仿真分析可知：輪轂承受等效應力最大值為152

MPa，結合表2中σ2=204MPa發現，等效應力最大值不大于材料在循環期間屈服性能，符合力學分析對輪轂疲勞強度的需求;204-152=52MPa，此數值將作為輪轂應力承受的余量，與實際測量結果具有一致性。

④疲勞工具的結合使用，獲得輪轂運行周期與安全情況：1）輪轂使用周期預測結果：le6最大值，經軟件分析計算獲得輪轂壽命周期為98911min，即1649小時，大約合計為69天。2）輪轂安全系數為：15max、10、5、0.622、0。安全系數分別測定的是輪轂半徑、過渡圓角、輪輻、輪芯位置、軸與輪轂相連位置。在此期間，軸與輪轂相連位置安全系數為0，其次是輪芯位置。3）針對輪芯位置受損問題，采取過渡圓角半徑優化措施，由原有30mm設計，優化為55mm設計，提升過渡位置平緩效果，加強輪轂結構優化效果。4）針對軸與輪轂相連位置安全系數較低的問題，應加強連接位置性能，減少輪轂發生彎曲疲勞問題。

⑤疲勞分析討論：借助各項數據發現，輪轂大多數位置表現為le6循環可見。安全系數最低的區域在軸與輪轂兩者之間的連接位置，此分析結果較為精準[4]。為此，在開展輪轂彎曲疲勞防護工作時，應結合安全系數分布情況，具體開展具有針對性的性能提升工作，以此保障輪轂使用性能，減少彎曲疲勞問題帶來的輪轂性能欠佳現象，維護輪轂運行能力，發揮有限元分析結果應用的內在價值。

3? 結論

①輪轂承受應力最大值為152MPa，此應力不大于材料循環體系中形成的屈服強度204MPa。針對輪轂開展的彎曲疲勞測定，順應相關工藝的具體標準。②輪轂安全性能最小值，發生于軸、輪轂相連位置，應加強連接位置性能。應力集中分布在輪輻周邊輪芯位置，此位置作為應力承受較大區域。在長時間載荷作用下，形成性能受損問題。針對此處問題，采取過渡圓角半徑優化措施，由原有30mm設計，優化為55mm設計，提升過渡位置平緩效果，加強輪轂結構優化效果。

參考文獻：

[1]童寒川，夏偉.鋁合金輪轂彎曲性能有限元分析[J].汽車實用技術，2019（23）：132-134.

[2]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[J].汽車實用技術，2018（22）：40-42.

[3]韋洲，張曉光，徐洪琛.基于有限元的鋁合金汽車輪轂彎曲疲勞分析[J].鑄造技術，2018，39（10）：2413-2416.