基于有限元的铝合金车轮疲劳分析

有限元法进行疲劳分析1一、有限元法疲劳分析的基本思路用有限元法进行疲劳分析，其基本思路是：首先进行静或动强度分析，然后进入到后处理器取出相关的应力应变结果，在后处理器中再定义载荷事件，循环材料特性，接着根据所需要的疲劳准则对每一个载荷事件进行寿命计算，最后根据累计损伤理论判断是否开始破坏。

由于结构受力状态往往是一复杂的应力状态，而在实验中测得的结构材料S-N曲线又常是在简单应力状态下获得的，因此常用最小能量屈服准则或其它等效准则，将所研究的疲劳点上的复杂应力用一个等效应力替代。

对有限元法而言，这一过程很容易实现。

等效替代以后，即可参照原始材料的S-N曲线进行疲劳寿命评估。

上述方法称之为应力-寿命法或S-N法，该方法不严格区分裂纹产生和裂纹扩展，而是给出结构发生突然失效前的全寿命估计。

当然，还可以采用更加现代化的局部应变法或初始裂纹法。

因篇幅所限，因此仅讨论S-N法，且针对车辆结构疲劳分析。

2二、疲劳分析由于车辆结构的零部件属于低应力、高循环疲劳，故常使用Stress life准则，并使用修正Goodman图，此时，S-N曲线的经验公式修正为：计算中需要的材料参数包括：弹性模量、疲劳强度系数、疲劳强度指数、强度极限。

其具体的分析过程是：1．建立物理模型(Physical Model)对于疲劳分析来说，物理模型即包含结点、单元、物理特性和材料特性的有限元模型。

2．建立数学模型(Mathematical Model)数学模型也就是使用物理模型计算应力或应变。

求解后，可从后处理器中获取相关的应力或应变。

3．载荷工况(Loading Conditions)对于静态疲劳分析来说，可以用建立载荷函数的方式施加载荷。

4．定义事件(Events)在进行疲劳评估之前，必须先定义事件。

它由物理模型、数学模型、载荷工况组成，如图1-1所示。

5．评估(Evaluation)一般来说，我们可进行下列估算：·事件损伤(Event Damage)·事件损伤方向(Event Damage Direction)·损伤累积(Accumulated Damage)·事件寿命估算(Event Life Estimate)6．后处理(Post Processing)疲劳分析的后处理与静力学的后处理完全一致，此处不再重复。

铝合金车轮设计及结构分析【摘要】车轮是汽车行驶系统中重要的安全部件，汽车前进的驱动力通过车轮传递，车轮的结构性能对整车的安全性和可靠性有着重要的影响。

另外，车轮还是汽车外观的重要组成部分。

传统车轮设计多凭借经验展开，存在着设计盲目性大、设计制造周期长、成本高等诸多弊端。

面对日益激烈的市场竞争，企业迫切需要采用科学的手段改善设计方法，本文所采用的CAD技术和有限元分析方法是解决上述问题的理想方法。

本文运用工业设计理论，将造型设计构思表现的方法与技能应用于车轮设计中，结合车轮结构尺寸优化和形状优化，使工程技术与形式美密切结合，综合表现了车轮的性能、结构和外观美。

【关键词】铝合金车轮;有限元分析;结构设计;强度分析;疲劳分析1.引言普遍意义的车轮包括轮胎和金属轮辆一轮辐一轮毅两部分，本文所研究的车轮只限于金属轮惘一轮辐一轮毅部分，不包括轮胎。

车轮是介于轮胎和车桥之间承受负荷的旋转件，它不仅承受着静态时车辆本身垂直方向的自重载荷，同时也经受着车轮行驶过程中来自各个方向因起动、制动、转弯、物体冲击、路面凹凸不平等各种动态载荷所产生不规则力的作用，是车辆行驶系统中重要的安全结构部件，其结构性能是车轮设计中主要因素[1]。

另外，车轮作为整车外观的主要元素之一，象征着整车的档次，多变的铝合金车轮轮辐形态和明亮的色泽越来越为人们所关注，因此车轮的外观设计也因此变得越发的重要。

2.铝合金车轮的设计方法车轮制造企业的设计手段依然采用传统的设计方法，其设计及生产流程如图1所示。

图1 传统的车轮设计流程图产品的结构强度、疲劳性能则在产品试样制造出来后，通过试验来验证。

这样导致产品的设计周期过长，成本过高。

而且设计时为了保证产品的通过率，避免反复多次修改模型，设计人员往往留有过大的设计欲量，对于大批量生产的企业，这无形中造成了材料浪费，增加成本[2]。

此外，当试验失败进行结构修改时，设计人员也是凭借经验，通过局部增加材料达到提高强度的目的，缺乏理论依据，具有较强的盲目性，对于产品的结构优化更是无从入手[3]。

铝合金轮毂有限元分析及优化设计作者：魏剑吴龙曾师尊来源：《青岛大学学报（工程技术版）》2020年第03期摘要：为了提高轮毂的安全性和可靠性，本文主要对铝合金轮毂进行有限元分析及优化设计。

采用三维软件Creo30，对某铝合金轮毂进行实体建模，并导入Ansys软件中，分析其固定点在不同作用力与力矩方向时轮毂的动态弯曲疲劳、径向疲劳与冲击性能。

试验结果表明，该轮毂所受的最大应力远小于许用应力。

同时，为提高该轮毂的性能，对该轮毂的薄弱连接部位进行加强设计，并对其余部分进行轻量化设计。

研究结果表明，轮毂的整体质量减少了13413 g，其强度符合设计要求。

该研究对提高轮毂的使用寿命具有重要意义。

关键词：轮毂; 有限元分析; 弯曲疲劳; 径向疲劳; 冲击分析中图分类号： U463.343文献标识码： A2017年，我国发布了《节能與新能源汽车技术路线图》，根据该路线图，将大力推进Al、Mg合金、碳纤维复合材料等在汽车上的应用，推进轻量化材料制造技术的发展[1]。

目前，在汽车零部件设计中，国内铝合金轻量化材料的使用量仍低于国际水平，针对铝合金轻量化材料，胡泊洋等人[23]采用有限元分析方法，对脚踏板、蓄电池箱体支架、车门、底盘控制臂和牵引钩等进行分析，用铝合金替代传统钢材料，并通过仿真与试验研究，优化结构和尺寸，使零部件达到性能使用要求;朱红建[4]从分析汽车钢圈的主要载荷形式和失效形式入手，确定横向载荷是造成疲劳破坏的主要原因，并运用有限元分析软件，对汽车钢圈进行了结构分析，且对汽车使用寿命进行预测，同时运用优化理论对汽车钢圈进行优化设计，进而提高汽车钢圈的可靠性和使用寿命;Wang X F等人[513]利用有限元分析软件，对钢制、铝合金或镁合金车轮建立参数化模型，进行弯曲疲劳和径向疲劳试验模拟，得到轮毂的应力图和应变图，计算车轮上应力较大的区域，并分析危险点的应力状态，对各类型轮毂进行结构优化和刚强度分析，以达到轮毂轻量化目的。

高铁车轮的疲劳寿命分析高铁作为现代交通工具的重要组成部分，随着我国高速铁路建设的逐步推进，成为人们出行的重要选择。

作为高铁的核心部件，车轮的质量和寿命对于高铁行车安全和维护成本有着至关重要的影响。

因此，对于高铁车轮的疲劳寿命分析显得尤为重要。

一、车轮的结构特点高铁车轮是高速列车的重要部件，轴承着整车和行车负重，承受着不断变化的载荷。

车轮主要由轮缘、轮辋和轮轴组成。

其中，轮缘是车轮最外侧的环状部分，用于接触轨道。

轮辋与轮缘相连，起到支撑整车和分散负载的作用。

轮轴上安装着轮辋和轴承，负责传递力量和维持车轮的正常运转。

二、车轮的疲劳寿命疲劳断裂是车轮最常见的失效模式，疲劳寿命是车轮的关键指标之一。

车轮的疲劳寿命受到多种因素的影响，包括外部环境、负载情况、材料和制造工艺等。

其中，外部环境和负载情况是决定车轮疲劳寿命的主要因素。

外部环境：车轮在进入高速铁路之前需要经过轮型修整等准备工作，以确保其符合相关技术标准。

此外，车轮在行车过程中不断受到外部环境的影响，如高温、低温、高海拔、雨雪等，这些因素都会对车轮产生影响，降低车轮的寿命。

负载情况：高铁车轮受到的载荷包括垂直负载和侧向负载等多种类型。

其中，垂直负载是车轮承载的最大负载，也是疲劳寿命的主要影响因素。

侧向负载则会对车轮产生较大的应力，降低车轮的寿命。

三、车轮疲劳寿命分析方法车轮疲劳寿命的分析需要结合多种方法和技术手段，以下是常用的几种方法：1. 应力分析法通过对车轮内部应力分析，计算出车轮在不同负载情况下的应力及其分布规律，从而预测车轮的疲劳寿命。

2. 实验测试法通过实验测试，测量车轮在不同负载和环境下的应力响应、位移变化等参数，揭示车轮的失效模式和寿命。

3. 数值模拟法通过建立车轮的有限元模型，仿真车轮在不同负载和环境下的应力响应、变形等参数，并通过数值分析预测车轮的寿命。

四、车轮寿命延长措施为了延长车轮的寿命，可以采取以下措施：1. 加强轮型修整车轮进入高速铁路之前需要经过轮型修整等准备工作，加强轮型修整，排除车轮内部缺陷，能够有效提高车轮的寿命。

基于Ansys Workbench的铝合金轮毂结构的疲劳分析徐浩【摘要】车轮是汽车上主要的运动和支撑部件,镁合金由于其具有高强度、良好的导热性、重量轻等特点,因此在当今汽车上的应用越来越多.但统计可知,轮毂仍是车辆故障的常见零件之一.本文从轮毂的实际结构出发,以Ansys Workbench有限元分析软件作为分析工具,模拟分析某家用轿车的轮毂使用情况,验证了该材料的性能满足要求的同时找出易发生故障的部位,为车辆后续维修、优化提供了理论依据.【期刊名称】《三门峡职业技术学院学报》【年(卷),期】2018(017)001【总页数】3页(P142-144)【关键词】轮毂;Ansys Workbench;疲劳【作者】徐浩【作者单位】商丘工学院机械工程学院,河南商丘476000【正文语种】中文【中图分类】U463.34随着世界范围性的环保法规的日趋严格以及人们环保意识的不断加强，汽车排放法规也越来越严，汽车重量作为影响车辆排放的主要因素之一在环保中占据的地位日益重要。

因此汽车轻量化设计已成为当今汽车行业主流的研发方向之一，轮毂是车辆行驶系中轮胎装配的基础，对轮毂进行优化设计能够有效降低整车质量[1]。

实测可知，采用铝合金材料的轮毂质量为7.852Kg，而相同尺寸下，普通材料轮毂质量为20.714Kg，以每辆车5条轮胎（含备胎）计算，采用铝合金材料的轮毂的车辆整备质量可以降低64.31Kg，占车辆整备质量的5.145%。

由《汽车用钢轻量化战略合作框架协议》可知，汽车自重每减少10%,可降低油耗6～8%,排放降低12%。

笔者选用LC4铝合金铸造成型工艺的整体式车轮为研究对象，参照汽车行业标准GB/T5334－2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》所规定的轻质合金车轮的动态弯曲疲劳性能和动态径向疲劳性能试验所要求的加载参数和试验方法[2]，利用Ansys Workbench软件对车轮的动态疲劳试验进行模拟分析，从而为车辆的优化设计、故障检测及维修提供有力的理论支撑。

铝合金车轮径向疲劳试验的数值仿真
韦东来;崔振山
【期刊名称】《机械强度》
【年(卷),期】2008(30)6
【摘要】将动态接触转化成节点可相对移动的缓冲过渡层,提出径向疲劳模型中轮胎与轮辋接触问题的解决方法。

过渡层通过共用节点的方法离散成五面体单元,传递轮胎对轮辋的作用力。

由于过渡层刚度很小而且厚度小,所以对车轮刚度的影响可以忽略不计。

考虑到试验中转鼓与车轮的滚动接触切向力比较小,仅以等效的径向压力施加到轮胎上。

文中建立整个试验过程的有限元模型,通过与试验结果以及前人的成果相对比,表明分析模型是正确而有效的。

【总页数】5页(P998-1002)
【关键词】铝合金车轮;径向疲劳试验;非线性接触;数值仿真
【作者】韦东来;崔振山
【作者单位】上海交通大学国家模具CAD工程研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】U463.34;U461.7
【相关文献】
1.全表面车轮径向疲劳试验的数值仿真及疲劳寿命分析 [J], 宋桂秋;朱志鹏;李一鸣;王文山;张功
2.车轮径向疲劳试验有限元仿真及疲劳寿命估算 [J], 颜伟泽;郝艳华;黄致建;蒋万
标
3.铝合金车轮动态径向疲劳试验仿真分析与寿命预测 [J], 吉军;张辉;张宣妮;李艳红
4.基于弯曲和径向疲劳试验的车轮仿真分析 [J], 孙跃;孙圆
5.基于弯曲和径向疲劳试验的高强钢车轮仿真分析 [J], 张军;范体强;冯毅;田志俊;周松
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