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￥:0.00元/件94基于ABAQUS的汽车铝合金车轮旋转弯曲试验的数值模拟(1)
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94基于ABAQUS的汽车铝合金车轮旋转弯曲试验的数值模拟(1)
第23卷；第9期；Vol.23No.9；重庆工学院学报(自然科学)；JournalofChongqingInstit；2009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,南京210094)；摘要:基于旋转弯曲试验,运用有限元分析软件ABA；键词:铝合金车轮;有限
第23卷第9期　Vol.23No.9重庆工学院学报(自然科学)JournalofChongqingInstituteofTechnology(NaturalScience)2009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3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　210094)摘　　　要:基于旋转弯曲试验,运用有限元分析软件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文章编号:09)09-0001-04中图分类号:U467　　　　文献标识码:ANumericalSimulationofAluminumAlloyWheelRotatingBendingTestBasedonABAQUSWANGLiang2mo,CHENYu2fa,WANGChen2zhi,WANGQing2zheng(SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210094,China)Abstract:Thestrengthandfatiguelifearethekeytechnicalindicatorsofaluminumalloywheels.Basedontherotatingbendingtest,theFEMsoftwareABAQUSisusedtoestablishfiniteelementmodel.Withthenumericalsimulation,theweaknessstructureofthewheelisfoundandthedesignimproves.Meanwhile,twomodelsbeforeandafterimprovingdesignarecompared.Actualbenchtestsaredone.Itisaccordantwiththenumericalsimulationthatonlytheimprovedwheelpassedthebenchtest.Theresearchshowsthatthefiniteelementmethodcanbeabettersimulationmethodforaluminumalloywheelrotatingbendingtest.Keywords:fABAQUS　　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.　3　收稿日期:作者简介:王良模(1963―),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重庆工学院学报2.1　单元类型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[1-2]由于车轮造型复杂,因此采用四面体二阶修正单元(C3D10M)来模拟复杂外形,单元平均尺寸为10mm,局部尺寸可细化,单元数目为167817;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[5].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10万次左右,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个方向上加载图1　旋转弯曲试验力时车轮的响应.加载轴长度设为1m.本文中分析的车轮模型静载荷半径R为0.385m,将相关参数代入式(1)得出的试验弯矩为6409.2N?m.建立的铝合金车轮有限元模型如图2所示.试验弯矩M=(μR+d)FS(1)式(1)中:M为试验弯矩(N?m),它是强化了的实车中承受的弯矩;μ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[3].2　基于旋转弯曲试验的铝合金车轮有限元建模图2　铝合金车轮有限元模型　　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3　铝合金车轮的静力学分析[6]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[4]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,因此采用第四强度理论,即vonmises应力表示..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111606,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.3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5　22.5°,Node:11606应力结果分析:1)从0°,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node111606,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112.5°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157.5°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node111606关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0°与180°,22.5°与202.5°,45°与225°,67.5°与247.5°,90°与270°,112.5°与292.5°,135°与315°,157.5°与337.5°的响应结果是相同的,因于Y轴对称.5)比较180°与0°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4重庆工学院学报台架试验,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)节点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.MPa0°22.5°45°67.5°90°112.5°135°157.5°180°1.8837..54164..024605964...23.18.118..3.0731.139.33.482.043.07113.112..60147.62表2　关键节点应力值(改进设计后)节点MPa参考文献:[1]　MichaelGuo,RamBhandarkar,BarryLin.ClampLoadConsiderationinFatigueLifePredictionofaCastAluminumWheelUsingFiniteElementAnalysis[Z].WarrendalePennsylvania:SocietyofAutomotiveEngineer,2004.[2]　GrubisicV,FischerG.AutomotiveWheels,MethodandProcedureforOptimalDesignandTesting[Z].Warrendale,Pennsylvania:Engineer,1983.[3]　钟翠霞.铝合金车轮设计及结构分析[D].杭州:浙SocietyofAutomotive0°22.5°45°67.5°90°112.5°135°157.5°180°3.0135..646.0121.27155..1109621.135.17.553.24..6.119..110.0935.162.2658...41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.江大学,2006.[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,2007.[5]　杨立平.常见金属材料手册[D].第1版.福州:福建科学技术出版社,2006.[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,):66-69.(责任编辑　陈　松)图6　关键节点比较的应力角度历程三亿文库包含各类专业文献、生活休闲娱乐、各类资格考试、高等教育、中学教育、应用写作文书、幼儿教育、小学教育、94基于ABAQUS的汽车铝合金车轮旋转弯曲试验的数值模拟(1)等内容。　
　低压双边浇铸造铝合金车轮铸件成形过程数值模拟及优化...铝合金锻造生产技术的发展 40……基于 Abaqus 的 ...汽车铝合金车轮弯曲疲劳寿命预测与验证 59……锻造铝... 　强沙尘暴的数值模拟及 PM10 浓度的时空变化分析 1/...基于 DEFORM 的汽车铝合金轮毂锻造过程数值模拟 19…...对轮旋压的正交试验数值模拟 29……基于 ABAQUS 的... 　考虑车轮影响;对车身底部做了简 化,没有模拟车底...数值模拟 1 课题研究背景 1.1汽车空气动力学的发展...(1)通过对湍流黏度进行修正,考虑了流动中的旋转机... 　复合材料的最佳温度是 170°c.模具温度分布,利用有限元软件 ABAQUS 模拟了复合...冲头, 压边和模具采用高导热铝合金制造。 四、实验结果: 1.纤维编织材料力学...403 Forbidden
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