彎曲工況下車輪強度、疲勞分析方法對比
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在汽車車輪的實際使用過程中，80%以上的車輪破壞是由疲勞破壞引起的，而在衡量疲勞性能的徑向疲勞試驗中，又以彎曲疲勞失效率最高。國外建立了JWL、DOT和ISO等相關車輪彎曲疲勞試驗標準，這些標準都是模擬車輪在彎矩作用下的受載情況。我國《GB/T 5334-2005乘用車車輪性能要求和試驗方法》對于乘用車車輪的試驗方法進行了規定。該試驗是使車輪在一個固定不變的彎矩下旋轉，或是車輪靜止不動承受一旋轉彎矩，以車輪不能繼續承受載荷（如結構失穩）和出現侵入車輪斷面的可見疲勞裂紋為失效標準。
本文利用5種建模方式對車輪進行離散，對彎曲工況車輪的強度與疲勞分析結果進行對比，尋找簡單且結果準確的建模方式。
1 模型描述
本文利用HyperMesh軟件分別采用以下五種方式進行建模 。
1.1模型1（殼單元離散，不考慮接觸與預緊力）
輪輞、輪輻與焊縫均使用殼單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用B31模擬，如圖1所示。
1.2模型2 （體單元離散，不考慮接觸與預緊力）
輪輞、輪輻、焊縫使用實體單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用B31模擬，如圖1所示。
圖1 未考慮預緊力的車輪有限元模型
輪輞、輪輻與焊縫均使用殼單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用實體單元模擬，加載圓盤利用KINCOUP單元與B31單元連接到車輪上， 利用接觸對模擬加載圓盤與輪輻安裝平面的接觸，如圖2所示。
1.4模型4（殼單元離散，考慮預緊力，GAPUNI模擬接觸）
輪輞、輪輻與焊縫均使用殼單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用實體單元模擬，加載圓盤用KINCOUP單元與B31單元連接到車輪上。利用DCOUP3D-GAPUNI模擬加載圓盤與輪輻安裝平面的接觸，如圖2所示。
1.5模型5（體單元離散，考慮預緊力，GAPUNI模擬接觸）
輪輞、輪輻、焊縫、連接件使用實體單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤用KINCOUP單元與B31單元連接到車輪上。 利用DCOUP3D-GAPUNI模擬加載圓盤與輪輻安裝平面的接觸，如圖2所示。
圖2 考慮預緊力的車輪有限元模型
輪輻、輪輞的材料參數如下表1所示
表1 車輪材料參數表
2.1模型1、2彎曲工況強度分析邊界條件
根據車輪彎曲疲勞試驗的工作原理 [2],因為車輪內輪輞邊緣部分被試驗臺夾具壓緊固定，不能旋轉和移動，所以對內輪輞邊緣施加全約束，即六個自由蘇全部被約束。車輪承受的彎矩是通過加載軸施加的，在加載軸的自由端施加沿y、z方向施加隨時間變化的兩個力，該力的大小等于車輪試驗彎矩除以加載軸的長度
。其中，M為試驗彎矩載荷，L為加載軸長度，t為加載時間。
圖3 模型1、2彎曲工況分析邊界條件
約束車輪內側邊緣6個方向的自由度[2]，在連接件與輪輻之間的5個螺栓上施加預緊力Fp=T/kd，其中T為螺栓的擰緊扭矩，k為汽車常用擰緊扭矩系數，d為螺栓的螺紋直徑。在加載軸的自由端沿y、z方向施加隨時間變化的兩個載荷
圖4 模型3、4、5彎曲工況分析邊界條件
模擬車輪回轉彎曲疲勞試驗，計算車輪回轉彎曲疲勞壽命，螺栓安裝孔附近應力集中比較嚴重，最大Von Mises應力超過材料屈服強度。車輪實際安裝狀態下安裝孔附近一般不具強度風險，故不對此處靜強度及疲勞壽命做重點考察。
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