基于有限元的铝合金车轮疲劳研究

郎凯华

摘 要：目前，在汽车工业发展中，轻量化发展已经成为主要发展的趋势和方向，为有效促进轻量化发展，在汽车工业中采用轻质材料铝及相关合金等材料，能够有效提高轻量化发展能力。在本次研究中，为更好促进轻量化汽车工业发展，主要建立于Solidworks系统中，基于有限元的铝合金车轮疲劳进行研究，有效促进汽车的轻质化研究，提高和优化车轮的轻质化设计，有效提高车轮的抗疲劳性。

关键词：轻量化发展;铝合金车轮;结构设计;有限元分析;强度分析;疲劳研究

一、引言

在汽车工业中，车轮是汽车的主要构成部件之一，其作用不仅是作为协助汽车运动，更是要支撑汽车本身所有的自重，其功能较为强大，作用较为突出和明显。汽车车轮在支撑整个汽车自重的同时，还承载着行驶过程中汽车因减速、车轮摩擦力、风力阻力以及路面不平、湿滑等引发各种不同的动态载荷，造成车轮转动惯量增大，使车轮发生强度断裂，引发疲劳失效[1]。因此，本文主要基于有限元的铝合金车轮疲劳进行研究，对汽车轮胎使用寿命和车轮疲劳进行分析，从而有效提高车轮的使用寿命。

二、铝合金车轮的发展及其现状

目前，在汽车工业中，为提高汽车使用寿命和燃油经济性，就要有效实现汽车轻量化。在研究中表明，减轻汽车自重，能够有效减轻汽车行驶的阻力、摩擦力，降低风力阻力、路面材料对汽车行驶的影响，能够有效改善汽车在行驶过程中的转向能力、加速能力和制动能力等，避免噪声和振动对汽车带来的负面影响，使汽车的功率运转能力能够得到有效提升。轻量化汽车的研发，能够有效降低汽车的低油耗，减少汽车尾气的排放，使环境污染得到有效缓解。为提高轻量化汽车生产能力，最直接的方式就是采用轻量化材料、优化汽车结构，例如在研发过程中，采用高强度钢板，铝合金等轻质材料代替传统的汽车材料，更改汽车的结构、缩小相关零部件，降低汽车的重量。

在传统的汽车制造业中，钢制车轮一直占有主导地位，目前，随着科学技术的不断发展和进步，铝合金车轮逐步替代钢制汽车材料，同时铝合金车轮不仅具有质量轻等特点，其美观性、节能性、耐腐蚀等特点也深受人们喜好。铝合金车轮主要源于赛车爱好者为追求更快的车速，通过对车辆各零部件进行轻量化的改装，采用铝合金等材料替代车轮而发展起来。我国铝合金车轮工业相比于日本、德国等国家而言，起步较晚，但是其推广能力和范围较为广大，被大多数汽车制造工业所采纳，因此，轻量化汽车发展使历史选择的必然结果，在未来具有较高的应用性。但是，介于车轮承载着整个汽车所有的自重，在行驶过程中受到的力较多，需要对其抗疲劳性进行有效研究[2]。

三、铝合金车轮疲劳研究

（一）车轮疲劳理论

疲劳是指材料、零件等在循环加载、运转下，某些节点产生局部损伤，导致发生永久性受损，从而出现裂纹，并完全断裂的现象。车轮疲劳主要是指车轮在运行、行驶过程中，受到来自外部、内部的载荷较大，从而引发零部件疲劳现象。其中，内部疲劳主要是指车轮零部件在生产过程中，剩余的应力、压力以及车轮螺栓的压力等造成的一定载荷，在汽车行驶过程中不断被放大，从而引发内部疲劳。外部疲劳主要是指车轮在行驶过程中，长期与地面向接触，在汽车自重、风力阻力等影响因素下，造成零部件疲劳破坏，从而导致车轮受损，耐受能力下降等。在对铝合金车轮进行疲劳研究时，关注车轮发生内部、外部载荷因素是非常重要的[3]。

（二）车轮静应力和变应力分析

汽车车轮所受到的力主要分为两种，一种是汽车载静止条件下由于汽车自身重力而引起的静应力，一种是由于汽车载行驶过程中，受到来自各方面的动态荷载作用力。在分析车轮有限元的铝合金车轮疲劳过程中，应对这两种力进行分析和研究。其中，车轮静应力就是汽车的应力数值在某一时刻、某一时间段、某一过程中内的数值是固定不变的，当种一常力，例如汽车的重力，作用于铝合金材料上时，将承载面积假设为A，可认为汽车自身重力W均匀地施加在A面积上，则A面积上承受的力，就是应力，由于重力是一种静力，因此该力也被称为静应力，应力大小可用公式σ=W/A表示。变应力就是指动应力，该应力是由多种动态应力组合而成，在对汽车应力进行检测时，应对这两种应力进行检测，动应力检测需要分析一系列动态数据。

（三）车轮弯曲疲劳分析

车轮弯曲疲劳试验是一种常见的动态试验，当车轮在不断运行过程中，会产生一定的载荷，在分析汽车车轮疲劳程度时，不能忽略这些力对车轮带来的影响，否者会导致检测出现误差，无法正确检测车轮的疲劳寿命。汽车车轮疲劳寿命与其使用时间、应力有关，可以根据累积损伤理论来进行分析。在检测过程中，车轮承受的应力应根据平均应力、应力梯度、表面粗糙度德国进行分析，在分析、计算车轮弯曲疲劳度时，应充分考虑以上因素。

（四）车轮有限元应力分析

在分析车轮有限元应力时，应当有效对车轮进行弹性分析和塑性分析。在对车轮动态弯曲试验过程中，需要分析车轮局部应力的变化与弹性形变和塑性形变直接关系，通过采用线弹性分析方案，得到相关应力曲线，并采用Abaqus/Standard等软件进行仿真实验，有效对车轮有限元应力进行分析[4]。

四、总结

综上所述，在研究有限元的铝合金车轮疲劳程度过程中，应重点分析汽车轮胎的车轮疲劳理论、对车轮静应力和变应力、车轮弯曲疲劳度和车轮有限元应力进行分析，从而有效得出鋁合金车轮疲劳程度，并加以改善，提高轻量化汽车生产能力，提高汽车轮胎使用寿命和抗疲劳度。

参考文献

[1]陈毅，侯存满，赵海新.基于有限元的铝合金车轮疲劳分析[J].承德石油高等专科学校学报，2018，20（02）：49-52.

[2]焦洪宇，夏叶，赵荣，等.基于ANSYS Workbench的汽车铝合金轮毂弯曲疲劳强度有限元分析[J].汽车实用技术，2018，277（22）：48-50.

[3]何桃，李小强，李东升，等.铝合金复杂变截面蒙皮拉形工艺有限元仿真优化与试验验证[C]// 创新塑性加工技术，推动智能制造发展——第十五届全国塑性工程学会年会暨第七届全球华人塑性加工技术交流会学术会议论文集.2017.

[4]支瑞红.基于弯曲疲劳试验的铝合金车轮有限元分析[J].机械管理开发，2009，24（06）：26-28+33.