弯曲工况下车轮强度、疲劳分析方法对比
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在汽车车轮的实际使用过程中，80%以上的车轮破坏是由疲劳破坏引起的，而在衡量疲劳性能的径向疲劳试验中，又以弯曲疲劳失效率最高。国外建立了JWL、DOT和ISO等相关车轮弯曲疲劳试验标准，这些标准都是模拟车轮在弯矩作用下的受载情况。我国《GB/T 5334-2005乘用车车轮性能要求和试验方法》对于乘用车车轮的试验方法进行了规定。该试验是使车轮在一个固定不变的弯矩下旋转，或是车轮静止不动承受一旋转弯矩，以车轮不能继续承受载荷（如结构失稳）和出现侵入车轮断面的可见疲劳裂纹为失效标准。
本文利用5种建模方式对车轮进行离散，对弯曲工况车轮的强度与疲劳分析结果进行对比，寻找简单且结果准确的建模方式。
1 模型描述
本文利用HyperMesh软件分别采用以下五种方式进行建模 。
1.1模型1（壳单元离散，不考虑接触与预紧力）
轮辋、轮辐与焊缝均使用壳单元模拟，总装件的螺栓连接与加载轴均用KINCOUP刚性单元模拟，加载圆盘使用B31模拟，如图1所示。
1.2模型2 （体单元离散，不考虑接触与预紧力）
轮辋、轮辐、焊缝使用实体单元模拟，总装件的螺栓连接与加载轴均用KINCOUP刚性单元模拟，加载圆盘使用B31模拟，如图1所示。
图1 未考虑预紧力的车轮有限元模型
轮辋、轮辐与焊缝均使用壳单元模拟，总装件的螺栓连接与加载轴均用KINCOUP刚性单元模拟，加载圆盘使用实体单元模拟，加载圆盘利用KINCOUP单元与B31单元连接到车轮上， 利用接触对模拟加载圆盘与轮辐安装平面的接触，如图2所示。
1.4模型4（壳单元离散，考虑预紧力，GAPUNI模拟接触）
轮辋、轮辐与焊缝均使用壳单元模拟，总装件的螺栓连接与加载轴均用KINCOUP刚性单元模拟，加载圆盘使用实体单元模拟，加载圆盘用KINCOUP单元与B31单元连接到车轮上。利用DCOUP3D-GAPUNI模拟加载圆盘与轮辐安装平面的接触，如图2所示。
1.5模型5（体单元离散，考虑预紧力，GAPUNI模拟接触）
轮辋、轮辐、焊缝、连接件使用实体单元模拟，总装件的螺栓连接与加载轴均用KINCOUP刚性单元模拟，加载圆盘用KINCOUP单元与B31单元连接到车轮上。 利用DCOUP3D-GAPUNI模拟加载圆盘与轮辐安装平面的接触，如图2所示。
图2 考虑预紧力的车轮有限元模型
轮辐、轮辋的材料参数如下表1所示
表1 车轮材料参数表
2.1模型1、2弯曲工况强度分析边界条件
根据车轮弯曲疲劳试验的工作原理 [2],因为车轮内轮辋边缘部分被试验台夹具压紧固定，不能旋转和移动，所以对内轮辋边缘施加全约束，即六个自由苏全部被约束。车轮承受的弯矩是通过加载轴施加的，在加载轴的自由端施加沿y、z方向施加随时间变化的两个力，该力的大小等于车轮试验弯矩除以加载轴的长度
。其中，M为试验弯矩载荷，L为加载轴长度，t为加载时间。
图3 模型1、2弯曲工况分析边界条件
约束车轮内侧边缘6个方向的自由度[2]，在连接件与轮辐之间的5个螺栓上施加预紧力Fp=T/kd，其中T为螺栓的拧紧扭矩，k为汽车常用拧紧扭矩系数，d为螺栓的螺纹直径。在加载轴的自由端沿y、z方向施加随时间变化的两个载荷
图4 模型3、4、5弯曲工况分析边界条件
模拟车轮回转弯曲疲劳试验，计算车轮回转弯曲疲劳寿命，螺栓安装孔附近应力集中比较严重，最大Von Mises应力超过材料屈服强度。车轮实际安装状态下安装孔附近一般不具强度风险，故不对此处静强度及疲劳寿命做重点考察。
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