基于Abaqus结构分析结果的车轮寿命预测

摘要： 利用Abaqus对汽车车轮进行结构分析，基于有限元分析结果通过fesafe软件对车轮耐久性进行预测，阐述分析软件在模拟车轮疲劳寿命台架试验方面的应用.

关键词： 车轮； 疲劳寿命； 台架试验； 有限元分析

中图分类号： U463.34；TB115.1文献标志码： B

引言

车轮是汽车的重要承载部件，其性能直接影响汽车的安全性、可靠性和操纵稳定性.在实际使用过程中，80%以上的汽车车轮失效是由疲劳破坏引起的.目前，衡量车轮性能的2个主要性能指标是弯曲疲劳寿命和径向疲劳寿命.fesafe是功能强大、全面且使用方便的专业耐久性疲劳分析软件.本文采用有限元与疲劳分析相结合的方法，通过对载货车上配套的（规格为8.520型）钢车轮进行有限元分析和疲劳分析，模拟车轮在弯曲和径向疲劳台架试验中的受力状态，预测试验寿命，同时研究分析软件在车轮疲劳性能预测方面的应用方法.

1有限元模型依据

载货车上的车轮是两件式车轮（包括车轮和挡圈），是由轮辐和轮辋焊接而成的合件（以下简称为车轮），见图1，挡圈不作为重点研究对象.

图 1车轮焊接合成和分体示意

载货车轮按照“商用车辆车轮性能要求和试验方法”[1]进行试验，执行国家标准GB 59092009.车轮动态弯曲疲劳试验见图2，工作原理是固定轮辋胎圈座位置，通过力臂施加循环弯矩载荷；动态径向疲劳台架试验见图3，工作原理是驱动鼓旋转，安装好轮胎的车轮在额定的径向载荷作用下压在驱动鼓上，通过摩擦作用按规定速度旋转.

图 2动态弯曲疲劳试验示意

图 3动态径向疲劳试验示意

采用数值模拟技术，按照试验规范建立8.520型钢车轮有限元分析模型.通过Abaqus有限元分析软件，模拟车轮在一个循环内应力应变的分布状态，在fesafe疲劳分析中基于有限元分析的结果文件（odb文件）预测车轮寿命.

2有限元模型和分析结果

2.1有限元模型

有限元模型根据试验标准设置车轮模型约束和载荷条件，弯曲和径向载荷工况见表1.车轮由轮辐和轮辋焊接而成，产品设计使用材料和材料属性见表2.

2.2模拟弯曲工况有限元结果

车轮弯曲载荷作用下的有限元模型包括2个分析步，一是螺栓紧固预紧，二是加载弯矩载荷，模拟车轮在一个循环内不同角度承载时的应力状态.模型包括加载臂和车轮2个部件，车轮2部分采用不同钢质材料，材料属性见表2.弯矩作用在其中一个角度时车轮应力分布云图见图4.车轮上不同位置点在一个载荷循环内应力变化曲线见图5，反映车轮上不同部位在同一循环载荷作用下的时间历程.从曲线形状可以得出各点在一个周期内基本上按正弦曲线规律变化，平均值在0附近，曲线幅值焊接位置最大，轮辐辐底次之，风孔幅值较小，其他位置没有在曲线中表示.

图 4弯矩载荷作用下应力云图

图 5弯矩载荷关键点应力曲线

2.3模拟径向工况有限元结果

车轮径向载荷作用下的有限元模型包括3个分析步，模拟在车轮滚动一周内不同角度承载时的应力状态：一是螺栓紧固预紧；二是轮胎充气；三是加载径向载荷.模型包括加载臂、轮胎、车轮和挡圈等4个部件.径向作用在其中一个角度时车轮应力分布云图见图6.图 6弯矩载荷作用下应力云图

车轮上不同位置点在一个载荷循环内应力变化曲线见图7，反映车轮上不同部位在同一循环载荷作用下的时间历程.

图 7弯矩载荷关键点应力曲线

从曲线形状可以看出各点一个周期内变化规律，焊接位置平均值为正，幅值约为30 MPa；胎圈座位置平均值为负，幅值约为45 MPa；轮辐辐底和风孔平均约为0，幅值较小，其他位置没有在曲线中表示.

3fesafe中疲劳分析设置及结果

8.520型车轮弯曲、径向疲劳分析基于Abaqus有限元分析结果，使用odb结果文件.动态弯曲疲劳寿命设计要求不低于30万次，动态径向疲劳寿命不低于50万次.一般把寿命高于10万次的疲劳称为高周疲劳.车轮疲劳发生在弹性范围内属于高周疲劳[2]，适合采用应力疲劳算法.在fesafe中定义分析选项[3]：（1）导入上述有限元分析结果，编辑分析组；（2）创建材料并且给参与分析的组定义材料，材料属性见表2；（3）定义载荷时间历程；（4）定义输出，包括输出寿命值、强度因子和最大应力等.疲劳分析结果云图可以在Abaqus的后处理中显示.

3.1模拟弯曲工况疲劳结果

弯曲疲劳主要检测轮辐的性能，车轮疲劳寿命、强度因子和最大应力分布云图见图8，疲劳载荷作用下车轮寿命最小约为97万次，在焊接、风孔和轮辐底螺栓孔周围寿命较低，是容易产生疲劳裂纹的地方.

图 8动态弯矩疲劳参数分布

3.2模拟径向工况疲劳结果

径向疲劳主要检测轮辋的性能，径向载荷作用下车轮寿命、强度因子和循环中各位置最大应力值见图9.可知，车轮寿命在100万次以上，在焊接、风孔和胎圈座位置寿命较低，是容易产生疲劳断裂的地方.

图 9动态径向疲劳参数分布

3.3fesafe疲劳分析结果与实物件对比

实体件试验疲劳裂纹出现位置见图10.

图 10实体件疲劳裂纹出现的位置

建立有限元分析和疲劳分析模型时，针对车轮试验和实际汽车行驶中容易出现疲劳裂纹的位置进行细化处理，主要考虑车轮加工和材料表面质量；另外载货车行驶的路况较差，须增加强化因数.通过实体零件试验结果，可以验证上述模型和参数设置基本符合车轮的试验状态.动态弯曲试验和动态径向疲劳试验中疲劳裂纹出现的位置都在轮辐风孔上侧（螺栓孔到风孔）或下侧焊接区附近.弯曲疲劳寿命50万次左右出现裂纹，径向寿命60万次以上无裂纹.

4结束语

使用Abquas有限元分析软件和fesafe疲劳分析软件，通过模拟8.520型车轮在动态弯曲试验、径向载荷试验中的应力分布状态，预测车轮疲劳失效出现的位置和预期的疲劳寿命值.对比分析结果和试验结果，车轮失效位置和疲劳寿命基本一致.因此，基于该有限元分析结果的疲劳寿命分析方法可以作为车轮设计参考.参考文献：

[1]GB/T 5909—2009商用车辆车轮性能要求和试验方法[S].

[2]机械设计手册编委会. 疲劳强度设计[M]. 北京： 机械工业出版社， 2007.

[3]赵少汴， 王忠保. 疲劳设计[M]. 北京： 机械工业出版社， 1992.