基于ANSYS Workbench的賽車車輪疲勞仿真分析

夏衍　陳雙賀　田朔源　楊帆　修浩然

摘 要：賽車車輪是車輛承載的重要安全部件，行駛過程中，賽車車輪承受來自路面不同幅值、不同頻率的激勵除受垂直力外，還受因車輛起動、制動時扭矩的作用，轉(zhuǎn)彎、沖擊等來自多方向的不規(guī)則受力。高速旋轉(zhuǎn)的車輪直接影響車輛的平穩(wěn)性和操縱性。文章以Wonder7號鋁合金車輪為研究對象，在CATIA中建立賽車車輪的三維模型，并導入到ANSYS Workbench軟件中生成輪輞和輪輻的幾何模型。根據(jù)計算極限工況下，對wonder7號車輪進行受力分析，并對車輪的受力載荷進行確定。建立車輪的有限元模型并進行有限元分析。為預測車輪的疲勞壽命，用Ansys中的Fatigue模塊對車輪進行疲勞壽命分析，預測車輪疲勞破壞位置和使用壽命，對設(shè)計人員起了指導意義。關(guān)鍵詞：車輪設(shè)計;ANSYS分析;壽命預測中圖分類號：U463.34? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）01-117-03

Abstract： The car wheel is an important safety part of the vehicle load， driving process， the car wheel under the road from different amplitude， different frequency of the excitation in addition to the vertical force， but also by the vehicle starting， braking torque， turning， impact from multiple directions of irregular stress. The high speed rotating wheel directly affects the vehicle's stability and maneuverability. This paper takes Wonder7 aluminum alloy wheel as the research object， establishes the 3d model of racing wheel in CATIA， and imports it into ANSYS Workbench software to generate the geometric model of rim and spoke. According to the calculation of the limit condition， the stress analysis of wonder7 wheel was carried out， and the stress load of the wheel was determined.The finite element model of wheel is established and analyzed. In order to predict the Fatigue life of the wheel， the Fatigue life of the wheel is analyzed with the Fatigue module of Ansys， and the position and service life of the wheel are predicted.Keywords： Wheel design; ANSYS analysis; Life predictionCLC NO.： U463.34? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-117-03

引言

車輪作為賽車上的重要部件，其可靠性與賽車的行駛安全性緊密相關(guān)。傳統(tǒng)的對車輪疲勞強度的檢測方法是通過疲勞強度實驗進行車輪的強度分析，而采用有限元分析軟件進行分析的方法能夠在新產(chǎn)品設(shè)計初期分析出車輪的強度和疲勞壽命，大大縮短設(shè)計周期。文章以Wonder7號鋁合金車輪為研究對象，在CATIA中建立賽車車輪的三維模型，并導入到ANSYS Workbench軟件中生成輪輞和輪輻的幾何模型。利用該軟件對車輪疲勞強度試驗進行模擬，得到車輪強度和疲勞壽命的分析結(jié)果。

1 鋁合金車輪三維模型

比較以往的賽車車輪，在滿足FSAE賽車比賽規(guī)則，我們對車輪進行優(yōu)化設(shè)計。車輪是在輪胎以及車軸間承受載荷的部件，本文以鋁合金材質(zhì)車輪為研究，鋁合金材質(zhì)車輪重量較輕，慣性阻力小，制作精度高，在高速轉(zhuǎn)動時的變形小，慣性阻力小、有利于提高賽車的直線行駛性能，減輕輪胎滾動阻力，從而減少了油耗。輪輻材料為7075鋁，輪輞材料為5454鋁。

3 ANSYS分析過程

將CATIA軟件繪制的車輪三維模型導入ANSYS Workbench軟件中生成輪轂、輪輻和輪輞的幾何模型。根據(jù)模型的簡化原則，對輪輞作出了如下簡化處理：對焊接和螺栓連接部分采用了綁定連接方式，輪輞與輪輞連接的方式選擇Workbench連接關(guān)系中的摩擦副（friction）。由于本次分析主要關(guān)心輪輞關(guān)鍵零件的強度問題。

3.1 約束以及加載

在Workbench中對裝配體進行分析，首先對輪輞與輪胎接觸面進行綁定約束;對輪轂安裝軸承面施加切向力（force3）和徑向力（force）;對輪轂端面施加壓力（force2）;對輪轂螺栓施加螺栓預緊力（bolt pretension）;對輪輻與輪轂螺栓接觸面施加制動力矩（moment），具體如下圖1。

3.2 網(wǎng)格劃分步驟

進行網(wǎng)格的整體設(shè)置，模型整體選擇四面體法中的Patch Conforming 法進行網(wǎng)格的整體劃分，有輪輞的體積遠超輪輻與輪轂，因此控制輪輞的網(wǎng)格單元尺寸 element size為4mm，控制輪輻與輪轂的網(wǎng)格單元尺寸 element size為2mm。為了提高網(wǎng)格的質(zhì)量，對網(wǎng)格參數(shù)進行設(shè)置，將Relevance 提升到100，Transition改為slow，Span Angle Center改為fine， Smoothing改為high。網(wǎng)格劃分完畢，如圖所示，模型總共包括491070個節(jié)點，293897個單元。

3.3 Ansys分析結(jié)果

分析結(jié)果：車輪輪輞在極限載荷的作用在輪輻位置時的應(yīng)力分布情況，從應(yīng)力分布的結(jié)果上得到，在極限工況下最大應(yīng)力值出現(xiàn)的地方是輪轂螺栓與輪輻和輪輞連接部分的中間位置，最大應(yīng)力值為187.6Mpa，小于鋁合金7075的屈服強度。最大應(yīng)變值為0.0026055mm。

4 輪輻疲勞分析仿真

由于疲勞分析是對靜力學分析應(yīng)力結(jié)果的進一步計算，所以必須對幾何模型進行預處理，避免靜力學分析出現(xiàn)應(yīng)力奇異解。分析載荷工況，建立合理的載荷環(huán)境。求解并根據(jù)選擇的疲勞分析方法來選擇后處理輸出類型，并根據(jù)實際工作需要設(shè)計好零件壽命，在簡單循環(huán)應(yīng)力載荷譜的默認情況下，壽命的計算單位為cycles，為一次應(yīng)力循環(huán)。

4.1 S-N曲線的確認

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，車輪的疲勞破壞處主要發(fā)生在輪輻處，所以只對輪輻進行疲勞預測，輪輻的抗拉強度極限（Su）值為575MPa，則有：S6=Se≈0.5Su= 287.5MPa，S9=0.9Su= 517.5Mpa。

由公式：lgN=a+blgσ即可計算出相應(yīng)點出的S—N值。式中，N-循環(huán)次數(shù)，a、b—系數(shù)，σ—應(yīng)力值。把N=106時σ=287.5，N=109時σ=517.5帶公式6.3計算得：a= 33.32012， b=-11.75226。即得公式：lgN=33.32012-11.752261gσ取18個點來繪制S-N曲線，如圖2所示。

4.2 疲勞預測結(jié)果

4.2.1 制動工況仿真結(jié)果

根據(jù)上面提供的載荷信息與材料信息，通過Fatigue 模塊進行計算，如圖所示。從仿真結(jié)果可以知道，在直線制動工況下，輪輻的疲勞危險點在輪轂螺栓與輪輻和輪輞連接部分的中間位置，其最小的疲勞壽命為1.337E10次循環(huán)，除了圖中顯示的紅色、黃色部分，其他地方的壽命都接近無限大，大于設(shè)計要求，如圖3所示。

4.2.2 轉(zhuǎn)向工況仿真結(jié)果

仿真結(jié)果可以知道，在轉(zhuǎn)向工況下，輪輻的疲勞危險點同樣也出現(xiàn)在輪轂螺栓與輪輻和輪輞連接部分的中間位置，其最小的疲勞壽命為3.647E10次循環(huán)，除了圖中顯示的紅色、黃色部分，其他地方的壽命亦都接近無限大，符合設(shè)計要求，如圖4 所示。

本文通過對車輪進行了靜強度有限元分析，得到了在模擬極限疲勞試驗下的應(yīng)力分布圖以及它們在車輪上的位置，還對車輪作了極限工況下疲勞壽命的分析?，F(xiàn)將分析研究結(jié)論歸納如下：

（1）從有限元分析所獲得的應(yīng)力云圖可以清晰地看到車輪在極限載荷下的最大應(yīng)力為187.6MPa，小于鋁合金材料的最大許用應(yīng)力，因此車輪是足夠安全的。最大應(yīng)力位于輪轂螺栓與輪輻和輪輞連接部分的中間位置，由此可以推斷車輪在工作時這兩部分最容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

（2）采用ANSYS workbench對車輪在極限載荷作用下的壽命進行預測，得到的結(jié)果為3.647E10萬次，采用名義應(yīng)力法所得到疲勞壽命為7.67 E10次，說明了疲勞壽命預測方法的準確性。

（3）在對車輪設(shè)計時，應(yīng)當注重與輪輻相連的螺母座處及輪輻靠近中心圓孔處與輪輻相連的螺母座處的設(shè)計，這兩個部位設(shè)計的好壞，將直接影響車輪的疲勞壽命。

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