10.16638/jki.1671-7988.2021.012.027
胡裕超，杨辉
（桂林理工大学机械与控制工程学院，广西桂林541006）
摘要：轮毂是汽车运行时的主要承载部件，对于汽车安全行驶和可靠运行起着重要作用。特别对于设计者而言，其各方面的性能都应得到重视。文章以家用汽车轮胎的轮毂（18×7.5J）为研究对象，利用通用设计软件SolidWorks 建立轮毂仿真模型，而后将轮毂仿真模型导入ANSYS19.2中的geometry模块中进行分析，并且参考国标，在材料库输入铝合金A356的相关参数，得到铝合金A356的S-N曲线，最后求解得到轮毂在周期性弯曲载荷下的安全系数和使用寿命分布云图，根据以上仿真结果，判断轮毂是否符合使用要求，对设计人员具有指导作用。
关键词：轮毂；铝合金；弯曲疲劳；ANSYS workbench
中图分类号：U463.343 文献标志码：A 文章编号：1671-7988(2021)12-90-03
Bending Fatigue Analysis of Wheel Hub Based on ANSYS Workbench
HU Yuchao, YANG Hui
( College of Mechanical and Control Engineering, Guilin University of Technology, Guangxi Guilin 541006 )
Abstract: As an important part of the car wheel, the wheel hub has a significant impact on the safety and reliability of the car. Especially for designers, all aspects of its performance should be paid attention to. This paper takes the wheel hub (18×7.5J ) of the family car tire as the research object, establishes the 3D model of the wheel hub through the 3D software SolidWorks, imports it into the simulation software for simulation analysis, and establishes the fatigue life curve (S-N curve) of aluminum alloy (A356), through the analysis to obtain the safety factor and fatigue life cloud diagram of the hub, according to the above simulation results, determine whether the hub meets the requirements of use, which has a guiding role for the designer. Keywords: Wheel hub; Aluminum alloy; Bending fatigue; ANSYS workbench
CLC NO.: U463.343 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)12-90-03
引言
传统的轮毂设计必须要通过实验法测定轮毂的各项结构性能以及疲劳使用寿命，极其耗费成本[1]。随着仿真行业发展，采用数值模拟技术预先对产品进行设计和性能分析，能很快判断出设计产品是否合理，降低了时间和人力成本。
本文主要是对轮毂的弯曲疲劳试验进行模拟分析，通过仿真技术来分析汽车车轮在周期性旋转过程中轮毂的应力应变分布情况[2]。并且参考国标，得到铝合金A356的S-N曲线，最后求解得到轮毂在周期性弯曲载荷下疲劳寿命分布云图，以判断轮毂是否符合使用要求。
1 轮毂弯曲疲劳实验受力分析
汽车在进行转弯或者上坡运动时，轮毂会受到循环加载的力矩，所以这时相当于半轴给轮毂施加扭矩的同时还施加了弯矩，因此对其进行弯曲疲劳仿真分析是相当有必要的[3]。
2 轮毂弯曲疲劳实验仿真
弯曲疲劳强度是轮毂使用性能的一项重要指标，反映的
作者简介：胡裕超，硕士研究生，就读于桂林理工大学，研究方向为汽车零部件疲劳分析，计算机辅助设计等。
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胡裕超 等：基于ANSYS Workbench 的轮毂弯曲疲劳分析
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是轮胎在转弯或爬坡时承受载荷的能力，本论文弯曲疲劳仿真的依据是GB/T5334-2005《乘用车车轮性能要求和实验方法》[4]。此标准中的实验实际操作方法是用试验台架对轮毂进行定位和固定，然后仿照半轴带动轮毂转动的汽车实际运行状况，在车轮上连接一个加载轴模拟半轴，使加载轴以一定初速度旋转，以模拟汽车运动过程中半轴带动轮毂转动的运动过程，并在加载轴末端施加一个沿轴径方向的作用力，以模拟汽车在转弯或爬坡过程中所受的弯矩，这样使仿真分析更接近于实际生活中汽车的运动和受力状况[5]。 2.1 模型设计与材料属性设定
进行仿真分析的轮毂型号为 18×7.5J ，轮毂所用材料为铝合金A356，它的优点是质量轻，强度高，便于加工[6]
。加载轴和法兰材料均为结构钢[7]
。铝合金A356和结构钢具体的力学特性如表1所示。由于要对该轮毂进行弯曲疲劳寿命分析，所以还需建立铝合金A356的疲劳寿命（S-N ）曲线。通过ANSYS Workbench 材料库中的general material 选择最普通的铝合金材料，然后在此基础上修改它的力学特性，使其得到的疲劳寿命（S-N ）曲线与铝合金A356一致。ANSYS Workbench 生成的疲劳寿命（S-N ）曲线如图1所示。
汽车钢圈表1 仿真材料力学特性表
图1 铝合金疲劳寿命曲线
2.2 网格划分
网格是进行ANSYS 仿真分析的关键步骤，用来划分轮毂的网格尺寸设置为10mm ，加载轴以及其他部件网格尺存设置为20mm ，由于轮毂形状较为复杂，选取划分网格方法为自动划分法（Automatic Method ），最后共获得了182926个网格和95710个节点。 2.3 设置接触方式
轮毂与加载轴通过键过盈配合进行装配，故两者连接关系设置为固定连接，采用joint 里面的fixed 进行固定约束。法兰与加载轴通过螺栓紧密连接，也采用joint 里面的fixed 进行固定约束。法兰是套在加载轴上通过螺栓与轮毂进行连接，并没有与加载轴固定在一起，故两者接触关系设置为无分离接触（No seperation ）[8]
。
2.4 施加约束和载荷
2.4.1 约束设置
由于在轮毂弯矩实验中，轮辋外侧被试验台完全固定，故在固定于台架的轮辋一侧施加完全约束（Fix support ），轮毂螺栓可绕加载轴旋转，故仅保留绕加载轴的转动自由度。
2.4.2 载荷施加
汽车在行驶过程中，车轮受到的弯矩计算方法如下：
（1）
式中：
μ——轮胎与地面摩擦系数，取0.7； R ——轮胎最大静载半径（m ）； D ——轮毂偏距，取0.054（m ）； F ——轮胎额定载荷，取680×9.8=6664N ； S ——实验强化系数，取1.6。
依据国标GB/T 2978-2008，选用的轮胎规格为225/60 R18 LT ，轮胎的静载负荷半径为0.334m ，将以上数据代入公式（1）可以求得车轮所受实验弯矩为3068.64N ·m ，而为了方便计算，选取加载轴长度为1m ，此时可以求得在加载轴末段应施加的力为3068.64N ，即在加载轴末端施加3068.64N 的作用力，即可产生等效的弯矩。 2.5 设置求解内容
在后处理中添加，等效应变（Equivalent strain ），方向位
移，根据实验的标准，轮毂疲劳试验一般要求往复作用105次以上，可在疲劳工具中插入Damage ，设置设计次数design life 为1.e005次，插入life 求解在弯曲载荷下的使用寿命。
3 弯曲疲劳有限元分析结果
完成仿真的约束以及加载设置后，通过ANSYS Work -bench 进行模拟分析和后处理，得到轮毂在周期性旋转弯矩作用下的各项结果云图如下，图2、图3为轮毂的变形和所受应力情况，图4为轮毂通过疲劳工具得到的疲劳寿命。
图2 轮毂沿Y 轴变形
从图2可以看出在Y 轴方向位移变化明显，因为施加的力也是沿Y 轴方向的，由图2可知，最大的变形位于轮辐与中心圆盘的过渡位置，最大位移为1.0285mm ，由图3可以
汽车实用技术
92 看出轮毂在旋转弯曲载荷作用下的应力分布状况，在中心圆盘的螺栓孔以及各个轮辐所受应力比较大，随着离中心圆盘距离渐远，所受应力逐渐减小，最大的应力为448.58MPa 。由图4可以看出轮毂的轮辋的寿命最大可达到108
大于设定的106，但轮辐边缘以及中心圆盘附近有应力集中现象，导致寿命偏低，要适度改变形状强化这些部位，才能提高轮毂寿命。
图4 轮毂等效应力
图5 轮毂弯曲疲劳寿命
4 结论
通过对铝合金A356轮毂的建模和仿真，得到了轮毂的位移和应力分布云图，分析发现在中心圆盘的螺栓孔以及各个轮辐所受应力比较大，随着离中心圆盘距离渐远，所受应力逐渐减小，所受最大应力位于螺栓孔附近。通过ANSYS Workbench 中的疲劳工具，得到了寿命分布云图，对轮毂受到弯曲扭矩后的疲劳损伤进行科学直观的展示，提高了设计和检验效率。轮毂设计人员提供了技术支持，指出了设计方向。
参考文献
[1] 王小军.前轮毂旋转弯曲疲劳断裂分析[J].理化检验(物理分册),
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[2] 崔胜民，杨占春.汽车车轮疲劳寿命预测方法的研究[J].机械强度,
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[3] 王波，管迪华.汽车钢圈多轴疲劳寿命预计[J].汽车工程,2002(02):
119-121+129.
[4] 周荣，刘继承，崔胜民，赵桂范.汽车车轮弯曲疲劳试验计算机仿真
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[5] 张红桩.基于UG 平台的轿车轮毂CAD/CAM 一体化研究[D].秦皇
岛：燕山大学,1999.
[6] ANSYS Technology Report, ANSYS ．Inc[EB/OL],1996.
[7] 徐灏.疲劳强度[M].北京：高等教育出版社,1990.
[8] 蔡春源.新编机械设计实用手册[M].北京：学苑出版社,1992.
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