关于摩托车铝合金车轮扭转疲劳的有限元分析
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【摘 要】本文通过使用建模仿真和计算机计算分析的方法，在针对于摩托车铝合金车轮进行有效建模的基础上，结合ANSYS有限元分析软件，进行铝合金材质的摩托车车轮扭转疲劳分析。该种分析方法相对于传统的疲劳分析试验，可以更快捷有效的进行仿真模拟下的疲劳性能分析，在车轮金属材质特性已知的前提下，最大程度上模拟出可能的车轮受力分析，并基于车轮结构分析出最易损毁的部位和损毁需要达到的最低应力值。同时，基于以上分析的数据结果，进行简单的扭转疲劳寿命预测和分析。
【关键词】摩托车铝合金车轮；扭转疲劳；有限元分析；建模试验
引言
随着社会经济的进步和科技的发展，车轮行业也在朝着新的发展趋势变革，传统的材质和工艺要求已经远不能符合摩托车行业的需求，车轮的发展趋势逐步的演变成以高性能和轻质量化为主，同时更加强调车轮的稳定性能、减震性能、散热性能和耐摩擦性能等多个方面。这也就要求着车轮需要完成冲击、弯曲、径向、扭转等多个疲劳性能试验和测试，以保证更加优越的质量性能满足市场的需要。但是，在实际操作的过程中，常常会因为很多细节处理不够而导致试验不能通过，进而不得不重新进入设计-制作-疲劳试验的过程中，在这一循环中甚至需要成百上千次的反复测试，才能够完全通过，而这带来了大量的时间和资源的浪费。因此，找到一种合理有效的方法进行计算机的建模和模拟，为快速的发现细节缺陷和辅助实际设计提供帮助变得十分重要。本文探讨的，就是针对于摩托车铝合金车轮的扭转疲劳设计进行基本建模和有限元分析实验。
1 扭转疲劳与有限元分析法概述
1.1 疲劳破坏与扭转疲劳的基本概念
一般来说，车轮的性能指标需要多个标准和实验进行全方位的分析和认证，本文所探讨的是针对于车轮的扭转疲劳性能方面，进行系统化的建模和针对性的有限元分析。
1.1.1 疲劳破坏
任何材料都会发生疲劳破坏，所谓疲劳破坏就是指当材料受到不断地变化的力的作用的情况下，尽管力的大小没有达到该种材料所能承受的力的极限值，但是材料会在不断地受力的过程中，逐步的遭受到破坏，甚至最后彻底的崩溃。对于车轮而言，由于其结构的特殊性和使用位置及环境的特定性，必须格外的注意其疲劳破坏的可能性。
1.1.2 扭转试验与扭转疲劳
所谓扭转试验，就是指当车轮截面在受到不同方向的扭转力矩的时候，由于受力程度的不同所表现出来的断口形状的不同，进而可以反映材料实际的特性和受力情况。而扭转疲劳，则是指在实际的使用中，车轮由于截面长期承受扭转力矩而造成损坏或断裂的情况。
1.2 有限元分析法的基本概念
所谓有限元就是在实际的分析中，将完整的一个整体近似的看做有很多独立分散的小的区域个体所构成，而当这些有限多的个体结合在一起的时候，就构成了我们设定的目标整体。
而这里使用到的有限元分析法，简单地说，就是在基于有限元划分的基础上，将复杂问题简单化的一种比较有效的方法。由于整体的结构性和平衡性等方面分析起来相对复杂，因此进行有限元分割，针对有限元个体进行需要的结构性、平衡性、受力性等方面的分析，最后再将所有的结果进行总体的分析和处理，进而得到与整体相关的近似情况，就是所谓的有限元分析法。
在本实验中，建模及相关的有限元分析工作主要借助ANSYS分析软件完成。
2 摩托车铝合金车轮扭转疲劳的有限元分析试验
2.1 针对摩托车铝合金车轮进行车轮有限元模型
摩托车车轮结构复杂，在实际使用过程中有多处可变受力点，并且在实际结构上常常会有突变点，易于引发受力集中现象。而当受力由于结构突变的原因集中于某个部位时，就容易引发疲劳破坏的产生。结合本文主要探讨的扭转疲劳来看，就是当车轮在使用过程中，受力状况会不断地发生变化，而当这种变化集中与车轮结构上的突变位置的时候，材料就易于在该位置受力值突变增大，进而引发断口和断裂情况的出现。
因此，在实际的扭转疲劳性测试实验中，需要将加载臂与车轮相连，通过特定的实验设备使轮辋与轮毂之间产生一个不断地进行交替变化的扭转力矩，从而模拟出车轮在行驶中实际所受的扭转力矩的情况，基于这样的考虑，对于车轮进行图1示例的建模。
此外，还需要在实际的使用和实验过程中，辅助设备和与车轮相连的结构对于车轮也会产生影响，将这些影响因素考虑到实际的建模中，就是为建模模型设立简化的约束条件，如图2所示，为车轮的边缘设立固定约束，为中心点设立受力约束。
图1 车轮有限元建模模型 图2 车轮约束条件
2.2 摩托车铝合金车轮的车轮有限元模型分析及结果
在基本的有限元模型和约束条件设定完成之后，就可以通过使用ANSYS对于车轮结构进行基本的静态力受力分析，从而模拟出其各部位的受力情况分析，如图3所示，可以发现最大的应力达到42.3MPa，集中于轮辐和与轮辋过渡圆角处。
在得到基本的受力情况之后，就可以结合通过与未修正的零件的S-N特性曲线对车轮进行扭转疲劳寿命预测了。
图3 车轮等效受力分布分析 图4 修正后的零件S-N特性曲线
2.3 基于车轮有限元建模分析结果的扭转疲劳寿命预测
上面的建模模拟结果已经指出了在模拟实际情况下，车轮所受应力最大的结构位置，而一般而言，最易发生疲劳破坏的位置就是最大应力点。
此外，需要指明的是，未修正的零件的S-N特性曲线是根据所选用材料的基本的性能参数指标获得的，在此基础上将其与车轮模拟出来的等效受力分布情况进行整合，得到修正后的零件S-N特性曲线，就可以对车轮的扭转疲劳寿命进行基本的预测。
以本文涉及到的试验材料为例，在修正曲线的过程中，需要综合的考虑车轮的尺寸系数ε、疲劳强度降低系数Kf、表面加工系数β以及不同疲劳寿命N下，所具备的分散系数Ks，并基于以下修正公式对于关键应力点进行修正：在上面的试验模拟结果中，车轮结构中最大的应力值为42.319Mpa，将该值结合修正后的零件的S-N特性曲线，可知试验选用的模拟对象车轮的疲劳寿命约为2380万次循环性，而后续在实际的扭转疲劳架上的验证也与该结果基本吻合，模拟试验结果成立并有效。
3 结束语
车轮设计的型号、材料乃至结构都会对于车轮的实际性能产生重要的影响，本文提及的试验过程以车轮的扭转疲劳为例，通过使用ANSYS建模和有限元分析的方法，在未使用实际的扭转疲劳测试架进行测试的情况下，仅仅结合基于材料基本特性的零件S-N特性曲线，就可以对于车轮的扭转疲劳性能和扭转疲劳寿命进行较为准确的分析和预测，这样的建模和分析方法，可以在车轮的疲劳性试验验证中广泛的应用，同时也可以帮助我们在避免大量的时间和资源的浪费的前提下，有效的对于不同材质不同结构的车轮疲劳性能进行基本的预测，有助于帮助我们在设计和质量测试中，把握要点，有针对性的提高车轮质量。
参考文献：
[1]赵建华，张宁.摩托车铝合金车轮扭转疲劳有限元分析[J].铝加工，2010（03）.
[1]张宁.铝合金轮毂受力状态的有限元分析与优化设计[J].重庆大学，2011（03）
[2]尤炳良.对摩托车铝合金车轮强度性能指标标准的几点修改意见[J].摩托车技术，2007（01）.
[3]周，赵玉涛等.轿车铝合金车轮弯曲疲劳性能的有限元分析[J].机械设计与制造，2009（05）.