基于UG的轮辋台架实验仿真与分析

卫锋

(北汽福田汽车股份有限公司南海汽车厂，广东佛山 528200)

基于UG的轮辋台架实验仿真与分析

卫锋

(北汽福田汽车股份有限公司南海汽车厂，广东佛山 528200)

汽车轮辋作为整车最重要的零部件之一，直接影响整车的可靠性和驾乘人员的安全。在开发过程中，使用UG软件的高级仿真模块和分析模块，结合产品的试验方式，对产品三大性能测试进行模拟。通过分析各表面所受应力大小，与原材料的各项机械性能指标进行比对，从而判断产品的设计安全性是否达标，提高产品的设计一次合格率、降低开发风险，同时保证产品可靠性。

轮辋；台架试验；模拟

0 引言

汽车轮辋作为整车行驶系统中最重要的零部件之一，对整车的可靠性有很大的影响，轮胎通过轮辋直接与地面接触[1]。因此，在开发过程中，利用UG软件仿真，模拟产品的真实试验状态，将产品的各表面应力大小与材料的机械性能进行比对，初步判断该数模是否存在失效可能，为轮辋的结构优化提供参考。

UG的高级仿真模块为富有经验的有限元分析师提供了全面的有限元模型以及结果可视化的解决方案，考虑到产品为铸造成型，成型过程的温度、成份，铸造性能，热处理效果存在变差，一般会在模拟阶段增加一个试验系数，用以实现产品的制造过程状态[2]。

1 使用UG进行有限元分析基本过程

使用UG进行有限元分析基本过程[2]如下：

(1)获得分析模型(零件或装配)；

(2)选择解算器；

(3)理想化模型；

(4)建立有限元模型，包含材料及物理属性等；

(5)添加边界条件(载荷及约束)；

(6)解算；

(7)后处理结果及报告。

2 铝合金轮辋弯曲疲劳测试模拟

(1)产品设计试验参数

产品设计载荷：9 000 N；

13°冲击：D=7 200 N，H=(230±2 ) mm；

弯曲疲劳：M=4 263 N·m，n=10万；

径面疲劳：Fr=24 210 N·m，N=50万。

(2)材料的机械性能

屈服强度σ0.2=140 MPa，抗拉强度σb=220 MPa，延伸率δ≥7%。

(3)试验依据标准

13°冲击性能测试： GB/T15704-1995[4]；

弯曲疲劳测试：GB/T5334-2005[5]。

(4)网格的划分

因本轮造型，A面曲率变化不大，不需进行A面的网格加密，按本轮中推荐的六面体网格大小进行分网，结果见图2。

(5)加载的材料图表见图3、图4。

(6)加载

按照GB/5334-2005标准，对弯曲疲劳测试动转数要求为n=10万次，对应力距Mr=4 623 000 N·mm，方向见图5中的红色箭头，作用在轮辋中心孔内侧。

(7)约束

模拟试验的真实约束状态，图6中橙色面为约束面。

(8)结果分析

分析计算结果如图7—10所示。分析最大应力值σ=118 MPa<σ0.2a=120 MPa，应力最大区域分布在轮辋轮辐侧，正面最大应力分布在轮辐连接的窗口处，最大应力值σ=106 MPa<σ0.2a=120 MPa，分析判断合格。

考虑到整个轮辐面黄色和绿色区域较多，蓝色区域少，建议做弯曲疲劳测试时，正反面抛丸处理。

3 13°冲击180°位置测试模拟

(1)加载

图11中红色箭头的区域为加载区域。

(2)约束安装面

图12的虚线区域为约束面，相当于将轮辋的5个安装孔进行固定。

(3)分析结果

分析最大应力σmax=166 MPa，响应应力σ响应=138.8 MPa(材料拉伸试验轮辐中段σ实验=140～165 MPa，取σ安全=145 MPa为安全值)。

因响应应力σ响应=138.8 MPa<σ0.2=145 MPa，判断模拟结果合格。

应力最大区域见图13—16。

按CAE分析颜色显示，失效可能位置见图13、14的红色区域，即轮辐背面，但考虑到轮缘与辐条连接区域已设置为刚体，虽然应力颜色显示为蓝绿相间，但实际最大应力与应变区域应该为画黑线的区域，因为此截面的截面积最小，且为一级应变区域。国家标准允许轮缘变形和开裂，但不许冲击脱落。

综合判断：轮缘会开裂，但幅板可以承受此冲击载荷，基本合格。建议轮缘适当加厚，保证平衡块装配。

4 13°冲击0°位置测试模拟

(1)加载

车轮加载见图17中红色箭头所示。

(2)分析结果

分析结果见图18—19。

分析最大应力σmax=180.2 MPa，响应应力σ响应=150.2 MPa。

因响应应力σ响应=150 MPa>σ安全=145 MPa，判断模拟结果不合格。

最大应力区域位置见图20，在辐板与轮缘连接尖角处(图20红色区域)。其他区域应力在90～120 MPa之间，合格，所以建议如下：

将辐板与轮缘连接处轮缘适当加厚，保证平衡块装配；

将轮辐挂耳做高、做厚，轮辐远端连接轮缘处适当做薄。

综上所述：冲击基本合格，如试验有细微问题,可以加工设变调整解决。

5 径向疲劳测试模拟

(1)加载

试验加载状态见图21，红色箭头区域为加载区域。

(2)分析结果

分析结果见图22—24。

由分析模拟后的云图25初步判断：

材料网部屈服强度，σ屈服=140～165 MPa左右，分析最大屈服强度σmax屈服=190 MPa

最大响应应力σmax响应=152 MPa>σ屈服=140 MPa，分析不合格。

建议：把轮辋壁厚适当加厚，由4.3 mm变为4.8 mm，通过试验验证。

6 优化后结果修正

针对有限元分析后的风险点进一步优化结构，对优化后的产品进行二次CAE分析验证。分析结果见图26—29。

从优化后的应力分布来看，受力比较均匀；通过比较优化前后云图，可以明显看到改进效果较为明显，台架验证通过的可能性进一步加大。

7 实验验证

经过上述优化后，此新开发的铝合金轮辋的弯曲疲劳试验、径向疲劳试验、13°冲击台架试验结果见图30，均一次通过，达到国标要求。

此轮辋搭载整车进行12万公里的可靠性路试，其中坏路、高环、山路分别为4万公里，未出现任何裂纹。

8 总结

(1)UG作为一款强大的三维软件，自身同样具备强大的CAE分析功能，其CAE功能往往被大多数工程师忽视。文中通过对某皮卡铝合金轮辋进行有限元分析计算、模拟仿真疲劳试验等，以了解应力分布情况，有助于对结构进行改进，提高轮辋的承载能力，且避免了开发过程中的失败情况。

(2)对比疲劳计算结论和试验结果，说明疲劳寿命的仿真计算能够较准确地预测疲劳失效部位，可以用于产品开发阶段的疲劳损伤分析，提高产品的一次通过率，降低研发成本和缩短研发周期。

(3)利用类似分析方法，结合有限元计算结果和车辆道路采谱，有利于改进结构设计，提高零件的疲劳寿命。

【1】 肖生发,赵树朋,马荣朝.汽车构造[M].北京:北京大学出版社,2006:358-361.

【2】 沈春根,王贵成,王树林.UG NX7.0有限元分析入门与实例精解[M].北京:机械工业出版社,2010：3.4-7.4.

【3】 陈玉发.铝合金车轮的有限元分析与疲劳寿命预测[D].南京:南京理工大学，2008：22-27.

【4】 全国汽车标准化技术委员会.GB/T 15704-2012道路车辆 轻合金车轮 冲击试验方法[S].北京:中国标准出版社,2012.

【5】 全国汽车标准化技术委员会.GB/T 5334-2005乘用车车轮性能要求和试验方法[S].北京:中国标准出版社,2006.

SimulationandAnlysisofWheelRimBenchTestBasedonUG

WEI Feng

(Nanhai Plant,Beiqi FOTON Motor Co.,Ltd.，Foshan Guangdong 528200,China)

Wheel rim is one of the most important auto parts, which directly affects reliability and safety of drivers and passengers. In the development process, using the simulation module and analysis module of UG software,combining with test modes of the rim, performance testing to the rim was simulated. In order to determine the safe design of products, improve once qualified rate, decrease design risks and guarantee the product reliability, the stresses on the surfaces were simulated and they were compared with the mechanical properties of the raw material.

Rim; Bench test; Simulation

2014-05-09

卫锋(1985—)，男，工学学士，助理工程师，研究方向为整车底盘设计。E-mail：weif0506@sina.com。