李维俊+邹武锦
摘 要：轮毂作为车辆行驶系统中的重要部件，其结构性能对车辆的安全性有较大影响。以16×6?J铝合金轮毂作为研究对象，运用UG三维建模软件建立轮毂三维模型，并导入ANSYS Workbench，依据径向与弯曲疲劳试验标准建立有限元模型，对轮毂进行结构静力学分析，得到位移、应力云图，并基于铝合金A356的S-N曲线，生成轮毂安全系数与疲劳寿命云图，综合各项结果，从而判断轮毂强度、刚度及疲劳强度是否合格，可作为轮毂分析的评判标准，对设计有指导作用。
关键词：铝合金轮毂；ANSYS Workbench；疲劳寿命
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.005
1 引言
铝合金轮毂因其质轻、美观、耐腐蚀、安全性好，在小型乘用车中已大量使用，据统计，2014年全球铝合金轮毂的产量已达到2.81亿只。对于如何分享如此巨大的市场，各轮毂生产企业的首要问题就是高效、精准、低成本地设计出符合顾客需求的轮毂。一方面，因为轮毂是汽车行驶时各种载荷的主要受力部件，其结构设计必须满足标准要求，以确保其安全性和可靠性；另一方面，随着消费者对汽车外观要求的提高和汽车轻量化发展的大趋势，外观设计与轻量化设计也被考虑到结构设计当中[1，2]。传统的方法依靠实验获得轮毂的强度和疲劳寿命数据，验证设计是否合理，时间长、成本高，而采用有限元分析软件ANSYS Workbench预先进行设计及分析，能够较快的判断设计产品的合理性，并且结果相对可靠，从而降低的设计成本，缩短了开发周期。
本课题运用UG软件完成轮毂建模后，利用ANSYS Workbench与CAD建模软件的无缝集成，直接导入ANSYS Workbench中，进行径向、弯曲疲劳试验的有限元分析，得到轮毂的应力应变分布，并基于铝合金A356的S-N曲线，进行轮毂的疲劳寿命分析。
2 轮毂径向疲劳试验有限元分析
轮毂的径向疲劳强度是其力学性能的一项重要指标，是衡量车轮行驶时能否安全承受垂直载荷的标准，按照GB/T5334-2005《乘用车车轮性能要求和实验方法》中动态径向疲劳试验的要求进行测试。试验方法是让一直径大于400mm、表面光滑且宽度大于轮胎宽度的驱动转鼓，匀速转动，带动安装好轮胎的轮毂，从而向轮毂施加动态变化的径向载荷Fr，模拟汽车在平直路面行驶时轮毂受到的垂直载荷。标准要求车轮在试验载荷下经过一定次数的疲劳循环后，不得出现可见裂纹和明显塑性变形等破坏现象，且能继续承受载荷[3，4]。
有限元法的基本思想是将物体离散成有限个且按一定方式相互连接在一起的单元的组合，来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题来求解的一种数值分析方法[5]。因此，建立准确、可靠的轮毂径向疲劳试验的有限元模型，是分析的关键步骤。
2.1 实体建模与材料属性导入
用于分析的轮毂规格为16×6?J，按照设计草图与轮毂的规格参数，采用三维实体建模软件UG建立轮毂实体模型，之后导入ANSYS Workbench環境中，等待进一步处理。
铝合金A356铸造性能良好，拥有较高的强度与塑性，所以生产中铸造铝合金轮毂多采用该型号的铝合金。对此，分析中轮毂材料选择A356，国内牌号为ZL101，屈服强度为229MPa，抗拉强度极限为263MPa，弹性模量为70GPa，泊松比为0.33。此外，进行疲劳寿命分析，还需导入材料的S-N曲线。先通过软件SolidWorks的材料库模块进行模拟，基于AMSE奥氏体钢曲线，输入A356的弹性模量，派生出S-N曲线数据，导入ANSYS Workbench的材料库，生成S-N曲线，如图1所示。
2.2 网格划分
有限元分析中，网格划分是后续分析的基础，其精度的高低直接影响到后续的应力、应变、疲劳寿命分析的准确性和精确性。对于形状相对复杂的轮毂，采用自动划分网格命令获得的网格质量较好，满足精度要求。划分网格时，单元大小设置为10mm，获得145257个单元，80706个节点。网格划分结果如图2所示。
2.3 施加约束与载荷
有限元模型的约束与载荷的施加应与实际情况一致，这样才能保证计算结果接近或者能够代表实际试验的结果[6，7]。所以，根据径向疲劳试验的工作原理和有限元思想，对轮毂安装面和5个螺栓孔锥面施加全约束。
实际作用在车轮上的载荷主要有轮胎气压和汽车自重与地面支撑在竖直方向产生的载荷，因此，可以等效的将安装面固定，加载载荷以压强的形式，按照一定规律分布在轮辋胎圈座上，并施加轮胎气压。根据其他学者研究，轮辋胎圈座所受径向载荷在120°夹角范围内呈半正弦函数对称分布，加载公式如下[8]：
式中F为径向加载载荷，按国家标准对该型号轮毂的要求，最大额定载荷为6762N，取强化试验系数K=2.25，可得径向加载载荷F为15215N，其余参数具体定义与数值如表1：
以轮毂中心轴线为旋转轴，建立极坐标系，在ANSYS Workbench中输入极坐标形式的径向载荷加载公式，选择加载面，以120°为夹角，对称施加。根据汽车行驶特点，可知轮辋受到周期性径向载荷作用，受力情况比较复杂，所以将选取两个特殊点进行考查。一种加载情况是加载面中心正对辐条中心线，另一种加载情况是加载面中心正对两辐条间通风孔中心，同时在轮辋胎圈座上施加轮胎气压0.55MPa，两种加载情况如图3所示：
2.4 径向疲劳有限元分析结果
完成轮毂径向疲劳试验的有限元建模后，通过ANSYS Workbench进行求解计算以及后处理，可以得到铝合金轮毂的位移云图、等效应力云图、安全系数云图和疲劳寿命云图。
从两种加载情况的位移云图可以看出，较大的变形量都出现在轮辋施加径向载荷的扇形区内，整个轮辋都有变形，内轮辋的变形量明显比外轮辋大，且正对载荷施加面的辐条也有小量变形，而安装盘变形量最小。此外，两种加载方式的最大变形量相差不大，分别为0.438mm和0.436mm，可以看出轮毂整体结构变形量不大，说明其结构设计的刚度满足标准的要求。endprint
轮毂在径向载荷作用下的应力云图如图4所示：
从两种加载情况的等效应力云图可以看出，应力主要分布在辐条与轮辋过渡部分、辐条中段、以及轮辋中间环带。径向载荷指向辐条中心，最大应力为46.37MPa，出现在支撑辐条背面上部棱边内侧；径向载荷指向辐条间隙中心，最大应力为45.63MPa，出现在相邻支撑辐条背面上部棱边内侧。两种加载情况的应力分布于大小相差不大，虽然出现了应力集中，但远小于材料的屈服强度，所以该轮毂设计满足强度要求。
在径向载荷作用下，对轮毂进行安全系数与疲劳寿命分析，从两种加载情况的安全系数云图可以看出，其安全系数都在4.9以上，已远远高于要求的2.25。从基于铝合金A356S-N曲线生成的疲劳寿命云图可以看出，轮毂在两种加载方式下工作，每一部分的循环次数都能达到106次以上，高于标准要求的5×105次。所以，该轮毂在额定的径向载荷下工作，其强度与疲劳强度都符合标准要求。
3 轮毂弯曲疲劳试验有限元分析
测试轮毂性能的另一重要试验是弯曲疲劳试验，按照GB/T5334-2005《乘用车车轮性能要求和实验方法》的要求，将轮毂装夹在试验台上，保持固定，通过加载臂对轮毂施加一个旋转的弯矩，经过一定次数的循环加载，观察轮毂是否出现可见裂纹或者有明显变形，从而判断其是否失效[9]。
3.1 实体建模与网格划分
按照标准要求，加载臂长定为1m，轴径为62mm，安装盘直径为145mm，与径向疲劳试验类似，用三维实体建模软件UG建立轮毂与加载臂实体模型，装配好后导入ANSYS Workbench环境中，加载臂与轮毂螺栓孔之间的接触采用粘贴接触，符合实际受力情况。对轮毂与加载臂整体采用自动划分网格命令，并分别设置材料属性，轮毂材料导入铝合金A356，加载臂材料导入结构钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.29。
3.2 施加约束与载荷
首先，设置约束方式，根据轮辋夹持部位，对内轮辋外侧施加全约束。试验弯矩M的大小根据公式（3）确定[10]：
式中：M为弯矩，N?m；μ为轮胎与路面间设定的摩擦系数；R为轮胎静负荷半径，m；d为车轮内偏距或外偏距，m；Fv为车轮额定载荷，N；S为强化试验系数。用于分析的轮毂其轮辋规格为16×6?J，按照GBT 2977-2008标准要求，选用205/65R16LT系列标准轮胎，车轮和地面的摩擦系数μ=0.7，静负荷半径，R=313mm，轮毂内偏距d=40mm，轮毂额定载荷Fv=6762N，强化系数S=1.6，根据公式（3）可求得弯矩M=2803N?m，所以，在加载臂末端端面加载2803N作用力，产生等效的弯矩。由于轮毂形状规则对称，所以主要分析两个特殊位置的应力分布状况，就可判断轮毂的疲劳强度是否合格。两种弯矩作用力的方向都是沿着轮毂半径方向，第一种加载情况是作用力正对辐条中心线，另一种加载情况是作用力正对两辐条间通风孔中心，第一种加载情况如图5所示：
3.3 弯曲疲劳有限元分析结果
完成轮毂弯曲疲劳试验的有限元建模后，通过ANSYS Workbench进行求解计算以及后处理，可以得到铝合金轮毂的位移云图、等效应力云图、安全系数云图和疲劳寿命云图。轮毂在弯矩作用下的应力云图如图6所示：
从结果云图可以看出，两种加载情况下，轮毂的位移与应力分布几乎是一致的，这是由于轮毂对称结构所导致的。最大位移量出现在辐条与安装盘相接的部位，都是0.264mm，其他部位的位移量随着离安装盘的距离增大而减小。应力较大值均出现在辐条上，可知轮毂所受弯矩主要由辐条承受。在离弯矩作用力方向较近的三个辐条上，出现了应力集中点，出现在辐条掏空槽与安装盘过渡部位，最大值为127.07MPa。
轮毂在弯矩作用下的安全系数与疲劳寿命如图7所示，安全系数分布情况对应应力的分布，较低值均出现在应力较大处，最小值为1.8，高于强化试验系数1.6。从基于S-N曲线生成的疲劳寿命云图中可以看出，两种加载情况下，车轮的循环次数均到达106次，高于标准要求的105次。整体来看，轮毂结构变形量较小，疲劳强度达标，其刚度及强度满足标准要求。并且在满足外观设计的要求下，还有进一步优化其结构，减少轮毂体积，进而实现轻量化的目的。
4 结论
依据标准《乘用车车轮性能要求和试验方法》，运用ANSYS Workbench软件建立有限元模型，并计算分析，得到位移和应力分布云图。基于铝合金A356应力-寿命曲线，生成轮毂安全系数与疲劳寿命云图。对所得结果进行分析，能够判断试验轮毂的强度、刚度、疲劳强度是否合格，并能直观显示出轮毂受力分布，找出应力集中部位进行优化。此外，通过比较径向和弯曲疲劳试验，可以看出轮毂所受弯曲载荷较大，其对轮毂的破坏作用更大，设计时应该优先考虑。总的来说，ANSYS Workbench软件在铝合金汽车轮毂结构静力学的分析中起到了很好的辅助作用，在轮毂的外形设计和轻量化设计中，能够起到预判、指导作用，避免了无谓的废品设计，缩短了设计周期，节约了设计成本。
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作者简介：李维俊（1987-），男，广西陆川人，硕士，助教，研究方向：铝合金轮毂、有限元模拟。endprint
