倡
２０１３年１１月第１９卷第４期
安庆师范学院学报（自然科学版）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎｑｉｎｇＴｅａｃｈｅｒｓＣｏｌｌｅｇｅ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
Ｎｏｖ．２０１３
Ｖｏｌ．１９Ｎｏ．４
网络出版时间：２０１３－１２－１９２０：１６ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３４．１１５０．Ｎ．２０１３１２１９．２０１６．０２１．ｈｔｍｌ汽车轮毂冲击的ＣＡＥ与实验分析
闫胜昝１，童水光２，朱训明３
（１．安庆师范学院计算机与信息学院，安徽安庆２４６１３３；２．浙江大学工业技术研究院，浙江杭州３１００２７；
３．万丰奥特集团，浙江新昌３１２５００）
摘 要：针对汽车车轮冲击试验，通过动态响应有限元分析，确定车轮结构中的最大应力及危险位置，并通过实验应力分析，利用动态电阻应变仪等，测定并计算车轮结构中关键点的应力响应，利用ＭＡＴＬＡＢ计算并绘制ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力响应曲线。通过对比有限元分析与实测结果，提出修正系数，对有限元分析模型进行修正，该结果可用于企业的车轮设计，提高产品结构设计的一次合格率。
关键词：冲击试验；ＣＡＥ分析；动态响应；实验应力分析；动态电阻应变仪
中图分类号：Ｕ４６３．３４，Ｏ３１３，Ｏ３４８文献标识码：Ａ文章编号：１００７－４２６０（２０１３）０４－００７６－０３
汽车车轮作为关键的汽车零部件之一，直接影响汽车的安全性，而安全性也是汽车设计的第一要求。汽车行驶中车轮高速转动，介于地面和汽车所有其他部件之间，承载着汽车、乘客等重力载荷，还有可能承受由于加速、减速和转弯等带来的附加载荷，车轮结构设计不仅要考虑美观，而且还要考虑可铸性，最重要的是要能够承受其应承受的载荷，才具使用性和安全性。因此，在车轮结构设计中，首先要使其满足强度要求，一般在车轮批量生产之前，必须通过冲击试验、径向滚动疲劳试验和弯曲疲劳试验。即便是在批量生产之前进行试验可避免大批量的报废，要得到试验用车轮仍需付出高昂代价，从车轮设计、模具设计、模具开制、上模具、小批生产、下模具，无论是时间还是成本，都是一个不小的支出。而小批量生产的车轮又不能保证必然通过试验，就有可能会造成更大的时间和成本的浪费。随着ＦＥＡ技术的不断成熟和广泛应用，借助ＣＡＥ在车轮的设计之初，对其进行针对三个性能试验的分析计算，将有助于缩短新产品开发周期、降低新产品开发成本。因此，利用ＣＡＥ对车轮结构进行强度分析、寿命预测，从而优化设计就成为新产品开发的必要条件［１］。对车轮结构性能试验有限元分析方法的研究成为热点之一。在受力模型较简单的疲劳试验中，在掌握材料的Ｎ－Ｓ曲线后，疲劳寿命的预测是可行的［２，３］。而在冲击试验中存在复杂的冲撞问题，结构模型还包含轮胎，是复杂的非线性问题，小西晴之等人在车轮的冲击强度上做过部分研究［４］。本文主要通过对车轮冲击试验的有限元分析，利用动态响应的分析方法，分析车轮结构中的危险位置及最大应力等情况，并用实验应力分析方法对车轮冲击试验中的应力进行测量，再通过实验结果与分析结果的比较，提出对有限元分析模型的修正系数，从而可用车轮冲击试验有限元分析指导新产品设计，缩短其开发周期。
１ 有限元分析模型
１．１冲击试验
根据ＧＢ／Ｔ１５７０４－１９９５标准，将装有轮胎的车轮固定在试验装置上，施加一个冲击力，冲击后检查，轮辐无目测可见的穿透裂纹，轮辐不能从轮辋上分离，轮胎气压不会在６０ｓ内漏尽，才表明车轮通过冲击试验。摩托车车轮主要需进行９０°冲击试验，而汽车车轮主要是进行１３°冲击试验，将车轮安装在一个与水平地面成１３°角的安装盘上，重锤质量根据车轮最大静载荷的０．６倍加１８０ｋｇ计算得到，下落高度固定为（２３０±２）ｍｍ，
倡收稿日期：２０１３－０７－０３
作者简介：闫胜昝，女，河北辛集人，博士，安庆师范学院计算机与信息学院讲师，主要专业方向为机械ＣＡＤ／ＣＡＥ、模拟仿真、计算机技术应用。
冲击后无肉眼可见的裂纹即为合格。 １．２ 分析模型
采用Ｉ－ＤＥＡＳ有限元分析软件，对在冲击载荷作用下车轮结构内的应力、应变、变形等进行分
析。铝合金材料的弹性模量为６．９×１０４
ＭＰａ，泊
松比０．３３，密度２．６９×１０３ｋｇ／
ｍ３
。对车轮结构实体模型，采用四面体和节点体单元进行网格单元划分，网格划分越细密分析结果越精确，但计算时间越长，而网格划分太粗大分析结果精度又不够，但计算时间会较短，因此，需综合考虑，此处根据车轮结构的尺寸，取单元大小为８ｍｍ。将车轮结构旋转到与水平方向成１３°夹角，在车轮安装盘面及几个ＰＣＤ孔进行全约束。首先进行动态响应分析，然后在响应分析模块进行强迫运动分析，指定冲击接触点及竖直冲击方向，设置重锤位置在与轮辋重叠（２５±１）ｍｍ（与试验相同）的地方，指定根据标准计算得到的重锤质量为５５５ｋｇ，下落高度２３０ｍｍ，设定冲击过程在０．５ｓ内完成，假
设冲击过程中载荷Ｆ（ｔ）的分布服从半正弦函数
分布（力从零到峰值再到零［６］
），并设定衰减系数
４％（轮胎的吸能作用［７］
）。 １．３ 分析结果
由以上分析得到车轮结构内的应力分布情况如图１所示，ｔ＝０．２５ｓ时为Ｆ（ｔ）取最大值的时刻，由图１可看出该车轮结构中应力分布比较均匀，最大应力位于施加冲击载荷位置正对的辐条上，最大Ｍｉｓｅｓ应力１２０ＭＰａ，远远低于材料的抗拉强度极限２４０ＭＰａ（对该车轮进行实际取样，测量机械性能得出的结果）。因此，单从冲击试验有限元分析结果来看，该车轮结构还有进一步优化的潜力，但是有限元分析的算法本身导致其结果必然存在一定误差，分析结果的分布趋势虽是完全可靠的，却不能保证有限元分析结果的数值与实际的应力值完全一致，这也正是要进行实验
应力测量的原因。
图１ 车轮结构的应力分布（ｔ＝０．２５ｓ）
２ 实验应力分析
冲击过程完成于一瞬间，详细观察这些现象
必须依赖于实验。本文采用技术成熟、操作简单、成本低廉的电阻应变计法进行车轮冲击动态响应实验应力分析，所使用的仪器设备和分析软件如表１所示，试验装置及测点如图２所示。
按试验要求安装测试用轮胎，并充气达到试
验要求２×１０５
Ｐａ，然后在车轮上粘贴４５°应变花，
连接导线，如图２所示。调整冲锤重量及下落高
度后，预热动态电阻应变仪，清零、标定、设定采集文件，由于冲击时间很短，为了避免漏掉数据，先点击开始测量，再开始对车轮的冲击试验。冲击位置与有限元分析中加载位置相同，对贴有应变片的辐条正对的轮辋进行冲击（冲击范围按试验标准要求，在重锤与轮辋重叠（２５±１）ｍｍ的范围内）。
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７７・第４期 闫胜昝，童水光，等：汽车轮毂冲击的ＣＡＥ与实验分析
