图 ２ 弯曲疲劳有限元模型 图 ３ 是我们利用以上的模拟方法对一实际产品进行 分析后得到的结果
图 ５ 径向疲劳试验装置
２．３．２ 试验径向载荷
径向载荷按下式确定：
Ｆｒ ＝ Ｆ·Ｋ·Ｓ
（ ２）
式 中 Ｆｒ— —— 径 向 载 荷（ Ｎ）
Ｆ — —— 轮 毂 最 大 额 定 载 荷 ， 由 轮 毂 厂 或 汽 车 制 造 厂 规
图 ６ 径向疲劳有限元模型 图 ７ 是利用以上的模拟方法对一实际产品进行分析 后得到的结果，
图 ４ 实际弯曲疲劳试验结果 实际试验的结果没有出现裂纹等缺陷， 与有限元模拟 结果一致。 ２．３ 径向疲劳试验有限元模拟 ２．３．１ 试验概述 径向加载滚动疲劳试验用的轮毂应是未经试验或使 用过的新成品轮毂， 但是表面不喷涂。每个轮毂只能做
设计与研究
３３
２．２．３ 弯曲疲劳试验的有限元数值模拟与实验验证 轮毂的弯曲疲劳试验的有限元力学模型见图 ２。
一次试验， 每次试验只能使用一只轮毂。试验机是一台 带有旋转鼓的装置， 转鼓表面光滑， 且比加载试验所用轮 胎的接触区宽， 试验装置安装特性应和车辆上轮毂的装 配特性相同。当轮毂转动时， 试验机能给轮毂施加一 恒定不变径向载荷， 轮毂加载方向应与转鼓表面垂直， 轮毂和转鼓的中心在径向上成一条直线， 转鼓轴线和轮 毂轴线应平行， 且在同一平面内。试验装置如图 ５ 所示：
［３］ 李 海 梅 ， 宋 刚 ， 刘 永 志 ． 金 属 材 料 疲 劳 极 限 的 估 算 ． 郑 州 大 学 学 报 ，２００２，２３（ ４） ：２６－ ３０
［４］ 汪 厚 凡 ， 刘 英 卫 ， 郑 冬 青 ， 等 ． 结 构 疲 劳 可 靠 性 分 析 方 法 及 工 程 应 用 ． 洪 都 科 技 ，２０００ ：７－ １８
图 ９ 冲 击 有 限 元 模 拟 应 力 分 布（ 背 面）
Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｉｎｉｔｅ ｅＥｌｅｍｅｎｔ ａＡｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗｈｅｅｌ
ＷＡＮＧ Ｗｅｉｘｉｎ ， ＺＨＡＮＧ Ｌｅｉ ， ＬＩＵ Ｚｈｉｃｈｏｎｇ （ Ｄｉｃａｓｔａｌ Ｗｈｅｅｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ．ＬＴＤ， Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００３） Ａｂｓｔｒａｃｔ ： Ａ－ ａｌｌｏｙ ｗｈｅｅｌ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｃａｒ． Ｉｔ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｈａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ， ｂｕｔ ａｌｓｏ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｔｈｅ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ． Ａｎｄ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ Ａ－ ａｌｌｏｙ ｗｈｅｅｌ． Ｉｆ ｗｈｅｅｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ ｗａｎｔ ｔｏ ｆｉｎｄ ｗａｙ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ ａｎｄ ｐｒｏｍｏｔｅ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ， ｉｔ ｍｕｓｔ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｈａｔ ｒｅｌｉｅｓ ｏｎ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ． Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｒｏｔａｒｙ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ， ｒａｄｉａｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ， ｉｍｐａｃｔ ｔｅｓｔ ｏｆ ｓｏｍｅ Ａ－ ａｌｌｏｙ ｗｈｅｅｌｓ， ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ＡＮＳＹＳ ｔｈａｔ ｉｓ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ， ａｎｄ ｗｅ ｃａｎ ｋｎｏｗ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ａ－ ａｌｌｏｙ ｗｈｅｅｌｓ ｂｅｆｏｒｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ． Ｓｏ ｗｅ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｗｈｅｅｌ ｄｅｓｉｇｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｗｈｅｅｌ， ｆａｔｉｇｕｅ ｄａｍａｇｅ， ＡＮＳＹＳ
ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｓｕｒｆａｃｅｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ， ＮＵＲＢＳ， Ｂａｓｉｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ，
Ｂｌｏｃｋ Ｍａｔｒｉｘ
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
（ 上接第 ３３ 页）
实际试验的结果没有出现裂纹等缺
关 键 词 ： 有 限 元 分 析 轮 毂 疲 劳 设 计 ＡＮＳＹＳ
在汽车的零部件中， 轮毂由轮辋及轮辐构成， 是一个 高速转动和承受汽车总载荷的零部件， 轮辋结构遵照 《ＹＥＡＲ ＢＯＯＫ ＦＯＲ ＴＨＥ ＴＩＲＥ ＡＮＤ ＲＩＭ ＡＳＳＯＣＩＡＴＩＯＮ》标 准规定设计， 轮辐的形状则多种多样， 没有统一的要求。 轮毂的强度和刚度无论从安全性还是性能方面考虑都至 关 重 要 。 本 文 通 过 有 限 元 分 析 软 件 ＡＮＳＹＳ 对 车 轮 进 行 弯 曲 疲 劳 、径 向 疲 劳 和 冲 击 应 力 的 模 拟 分 析 ， 最 后 结 合 试 验 结果对模拟分析进行验证， 为轮毂设计开发人员提供可 靠 的 设 计 依 据 ， 进 而 缩 短 开 发 周 期 、减 少 开 发 费 用 ， 从 而 提 高 企 业 的 竞 争 力 ［１－ ２］。 １ 疲劳破坏的基本概念和车轮安全性试验的具体要求 １．１ 疲劳破坏的基本概念
３２
现代制造技术与装备
２００７ 第 ４ 期 总第 １７９ 期
有限元分析在轮毂设计中的应用
王渭新 张 磊 刘智冲
（ 戴 卡 轮 毂 制 造 有 限 公 司 ， 秦 皇 岛 ０６６００３）
摘 要： 轮毂是汽车中的重要零部件， 既要具有高承载能力， 又要满足整体外观个性化设计要求， 其设计与 开发中也主要体现了此设计理念， 因此其制造企业要想赢得市场， 提高产品的竞争力， 必须改变原有的紧靠设 计 经 验 开 发 轮 毂 的 传 统 的 设 计 开 发 模 式 。 本 文 以 有 限 元 分 析 软 件 ＡＮＳＹＳ 和 三 位 造 型 软 件 ＵＧ 为 工 具 ， 建 立 了 与 轮 毂 实 际 的 弯 曲 疲 劳 试 验 、径 向 疲 劳 试 验 、冲 击 试 验 相 等 效 有 限 元 分 析 模 型 ， 对 轮 毂 的 可 靠 性 进 行 预 测 ， 为 轮 毂产品的设计开发人员提供设计依据。
图 ７ 径向疲劳有限元模拟应力分布
从有限元模拟的应力分布图中可以看出最大应力为
－ ７９．２２４￣７０．２０５ ＭＰａ， 判 定 强 度 合 格 。
（ 下转第 ６９ 页）
自动化与控制
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Ｂｏｏｒ－ Ｃｏｘ， ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｂｌｏｃｋ ｍａｔｒｉｘ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｌ－ ｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｄｅｇｒｅｅ ｂａｓｉｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｏｒｄｅｒ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ｉｓ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ． Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒｓ， ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎａｌｉｔｙ ａｎｄ
２．４．３ 冲击试验的有限元数值模拟与实验验证
轮毂的冲击试验的有限元力学模型见图 ８。
实际试验的结果没有出现裂纹等缺陷， 与有限元模拟 结果吻合。 ３ 结论
汽车铝合金轮毂是一个高速转动和承受交变循环载 荷 的 零 部 件 ， 它 承 受 着 动 态 弯 矩 、动 态 径 向 力 和 路 面 的 冲 击力。一方面， 车轮必须有足够的强度保证车辆和乘坐 人员的生命安全。另一方面， 过高的强度会带来较高的 车轮重量， 导致车辆油耗增加， 加速性能变差。因此本文 针 对 上 述 问 题 ， 提 出 了 通 过 ＡＮＳＹＳ 分 析 软 件 ， 对 车 轮 进 行 强度分析的方法， 对典型轮毂进行了有限元模拟分析并 进行了实验验证， 证明该有限元力学模型是可靠并适于 实际应用的。
定（ Ｎ）
Ｓ— —— 试 验 强 化 系 数
２．３．３ 径向疲劳试验的有限元数值模拟与实验验证
轮毂的径向疲劳试验的有限元力学模型见图 ６。
图 ３ 弯曲疲劳有限元模拟应力分布 从有限元模拟的应力分布图中可以看出最大应力为 － ５３．２４２￣６１．５８５ ＭＰａ ， 判 定 强 度 合 格 。 实 际 试 验 的 结 果 如 图 ４ 所示。
陷， 与有限元模拟结果一致。
２．４ 冲击试验有限元模拟
２．４．１ 试验概述
试验用的轮胎应选用在车辆厂或轮毂制造厂与设计
轮 毂 相 匹 配 的 、最 小 公 称 断 面 宽 度 的 无 内 胎 轮 胎 。 轮 胎
的充气压力必须按车辆制造厂的规定， 如无此规定， 可按
２０ｋＰａ 充 气 。 试 验 轮 毂 轮 胎 总 成 安 装 在 与 车 辆 轮 毂 一 致
毂 配 用 的 最 大 轮 胎 静 载 半 径（ ｍ） ；
ｄ— —— 轮 毂 的 内 偏 距 或 外 偏 距 ， 取 绝 对 值 ， 按 轮 毂 规 定
（ ｍ） ；
Ｆ— —— 轮 毂 最 大 额 定 载 荷 ， 由 轮 毂 厂 或 汽 车 制 造 厂 规
定（ Ｎ） ；
Ｓ — —— 试 验 强 化 系 数 。
本 文 研 究 的 铝 合 金 车 轮 材 料 为 Ａ３５６ ， 经 过 Ｔ６ 热 处 理 （ 固 熔 ＋ 时 效 处 理 ） 。 因 此 在 ＡＮＳＹＳ 中 输 入 材 料 属 性 （ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ） 时 ， 选 择 为 各 项 同 性 （Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）， 并 且 是 线 弹 性 的（ Ｌｉｎｅａｒ Ｅｌａｓｔｉｃ） ， 同 时 需 要 限 定 的 参 数（ 材 料 特 性） 为：