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| 有限元分析 |
车轮是汽车的重要部件，汽车与地面之间的所有相互作用力和力矩(例如驱动力、制动力、侧向力、垂直力、回正力矩等)都通过车轮传递，所以车轮对汽车的多种性能有重要影响，特别是安全性和可靠性。除此之外，车轮还是汽车外观的重要组成部分。普通意义上的车轮包括橡胶轮胎和金属轮辋—轮辐总成两大部分。下面所提到的和研究的车轮只是其中的金属轮辋—轮辐总成。车轮的技术发展方向是在保证足够强度和可靠性的前提下，尽可能减轻其质量和美化其外观。某车轮制造厂生产钢制车轮，为改善其外观，对原有产品的结构进行了改变，图示出新、老结构车轮的示意图，它们都是用钢板冲压、焊接而成的轿车车轮。结果发现，新结构车轮达不到动态弯曲疲劳试验的标准。本文正是针对该新结构车轮的结构改进问题进行研究的。
车轮动态弯曲疲劳试验是国际上通行的、标准的试验方法，也被我国作为国家标准(中华人民共和国国家标准GB T5334—1995，轿车钢制车轮性能要求和试验方法)采用，用于检验车轮产品的耐久性与可靠性。为了能够快速、有效、低成本地实现车轮结构的改进，提高车轮疲劳寿命，国内、外一般都采用有限元分析方法来指导车轮结构的改进设计过程，针对动态弯曲疲劳试验建立车轮的有限元模型。
由于车轮的几何形状复杂，作者认为，其中的应力集中导致局部高应力区可能是使车轮发生疲劳损坏的主要原因，可以采用改进结构局部几何形状的方法来提高车轮疲劳寿命。所以，本文的研究方法是根据车轮动态弯曲疲劳试验中的加载和约束边界条件建立车轮的静态线性有限元模型，以快速发现结构中的高应力区，为进行局部几何形状改进，降低这些区域的应力集中，提高疲劳寿命创造条件。
应用有限元分析软件包Algor分别建立新、老结构车轮的有限元模型。由于新、老结构车轮都是用钢板冲压、焊接而成，且钢板较薄—厚度为2.65 mm至4.60 mm，所以建模采用板壳单元。材料弹性模量取为2.07×105MPa，泊松比取为0.3。
图示出老结构车轮的有限元模型，其中对轮辋两侧板壳单元的所有结点的6个自由度都加以约束；建立加载轴的有限元模型，加载轴的长度为0.57 m，在其末端施加载荷(4 420 N的力平均分配，施加在轴末端的各个结点上)，以尽可能逼真地模拟实际试验中的情况。鉴于在动态弯曲疲劳试验中疲劳裂纹都出现在几何形状复杂的轮辐部分，所以该处单元划分较细，其他部分划分较粗，特别是加载轴的单元划分更粗，因为对其应力分布不感兴趣，只是利用其施加载荷。在建模中尽可能利用精度较好的四边形板壳单元，只是在一些不太重要的粗、细单元过渡处利用三角形单元。新结构车轮的有限元建模方法与此类似。
由于车轮几何形状复杂，在试验载荷作用下结构处于复杂应力状态，所以用vonMises应力作为计算应力。图示出有限元分析确定的最大应力点，其中老结构车轮的最大应力点在轮辐上的A点附近，最大计算应力值为335 MPa；新结构车轮的最大应力点G也在轮辐上，最大计算应力值为550 MPa。所用轮辐材料的强度极限σb≈450 MPa，屈服极限σs≈340MPa，即使考虑到在轮辐成型过程中由于冷作硬化会使材料的屈服极限σs有所提高，但也不会超过强度极限σb≈450MPa。所以，新结构车轮中的最大计算应力550MPa是非真实的，它是在线性假设条件下计算出来的，只取决于结构几何形状和所取的、认为不变的材料弹性模量，而材料性能实际上已经进入非线性区域。这个计算应力实际上反映该处的理论应力集中系数较大，该处可能是疲劳裂纹首先出现的区域。在实际进行的动态弯曲疲劳试验中，无论是老结构的车轮还是新结构的车轮，上述最大计算应力点正是最经常发生疲劳裂纹的区域。这表明，利用上述静态线性有限元分析方法确定疲劳裂纹易发区域是有效的。而且，新结构车轮的最大计算应力明显高于老结构车轮，其疲劳寿命也明显低于老结构车轮，不及老结构车轮寿命的四分之一。这也表明，通过局部几何形状修改，降低上述危险点的最大计算应力，也就是缓和应力集中，是提高疲劳寿命的有效途径。对经过上述修改的车轮结构建立类似的有限元模型，可以通过观察结构危险点上最大计算应力降低的程度来检验所做结构修改的有效性。
