車輪主要由輪輞和輪輻組成。輪輞是支撐輪胎的基座，輪輻是作為車輪和車輪輪轂的連接件，主要起傳遞載荷（垂直力、側向力和切向力轉矩）的作用[1]。輪輞與輪輻焊接后與輪胎組成一個整體，共同承受汽車的重力、制動力、驅動力、汽車轉向時產生的側向力及所產生的力矩，還要承受路面不平產生的沖擊力。車輪工作條件嚴酷，其質量直接影響汽車行駛過程的安全性，因此，應有一定的強度、剛度和工作耐久性能。 

      在汽車車輪的實際使用過程中，80%以上的車輪破壞是由疲勞破壞引起的，而在衡量疲勞性能的徑向疲勞試驗中，又以彎曲疲勞失效率最高。國外建立了JWL、DOT和ISO等相關車輪彎曲疲勞試驗標準，這些標準都是模擬車輪在彎矩作用下的受載情況。我國《GB/T 5334-2005乘用車車輪性能要求和試驗方法》對于乘用車車輪的試驗方法進行了規定。該試驗是使車輪在一個固定不變的彎矩下旋轉，或是車輪靜止不動承受一旋轉彎矩，以車輪不能繼續承受載荷（如結構失穩）和出現侵入車輪斷面的可見疲勞裂紋為失效標準。 

      本文利用5種建模方式對車輪進行離散，對彎曲工況車輪的強度與疲勞分析結果進行對比，尋找簡單且結果準確的建模方式。 

1 模型描述 

本文利用HyperMesh軟件分別采用以下五種方式進行建模 。 

1.1模型1（殼單元離散，不考慮接觸與預緊力） 

      輪輞、輪輻與焊縫均使用殼單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用B31模擬，如圖1所示。 

1.2模型2 （體單元離散，不考慮接觸與預緊力） 

      輪輞、輪輻、焊縫使用實體單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用B31模擬，如圖1所示。

               

1.3模型3（殼單元離散，考慮預緊力，接觸對模擬接觸） 

      輪輞、輪輻與焊縫均使用殼單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用實體單元模擬，加載圓盤利用KINCOUP單元與B31單元連接到車輪上， 利用接觸對模擬加載圓盤與輪輻安裝平面的接觸，如圖2所示。 

1.4模型4（殼單元離散，考慮預緊力，GAPUNI模擬接觸） 

      輪輞、輪輻與焊縫均使用殼單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用實體單元模擬，加載圓盤用KINCOUP單元與B31單元連接到車輪上。利用DCOUP3D-GAPUNI模擬加載圓盤與輪輻安裝平面的接觸，如圖2所示。 

1.5模型5（體單元離散，考慮預緊力，GAPUNI模擬接觸） 

      輪輞、輪輻、焊縫、連接件使用實體單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤用KINCOUP單元與B31單元連接到車輪上。 利用DCOUP3D-GAPUNI模擬加載圓盤與輪輻安裝平面的接觸，如圖2所示。

             

1.6材料參數 

      輪輻、輪輞的材料參數如下表1所示

       

2 邊界條件 

2.1模型1、2彎曲工況強度分析邊界條件 

      根據車輪彎曲疲勞試驗的工作原理 [2],因為車輪內輪輞邊緣部分被試驗臺夾具壓緊固定，不能旋轉和移動，所以對內輪輞邊緣施加全約束，即六個自由蘇全部被約束。車輪承受的彎矩是通過加載軸施加的，在加載軸的自由端施加沿y、z方向施加隨時間變化的兩個力，該力的大小等于車輪試驗彎矩除以加載軸的長度：

                  

      其中，M為試驗彎矩載荷，L為加載軸長度，t為加載時間。

              

2.2模型3、4、5彎曲工況強度分析邊界條件 

      約束車輪內側邊緣6個方向的自由度[2]，在連接件與輪輻之間的5個螺栓上施加預緊力Fp=T/kd，其中T為螺栓的擰緊扭矩，k為汽車常用擰緊扭矩系數，d為螺栓的螺紋直徑。在加載軸的自由端沿y、z方向施加隨時間變化的兩個載荷：

               

          

2.3彎曲工況疲勞分析邊界條件 

     模擬車輪回轉彎曲疲勞試驗，計算車輪回轉彎曲疲勞壽命，螺栓安裝孔附近應力集中比較嚴重，最大Von Mises應力超過材料屈服強度。車輪實際安裝狀態下安裝孔附近一般不具強度風險，故不對此處靜強度及疲勞壽命做重點考察。 

3 分析結果 

3.1強度分析結果 

      考察螺栓孔附近、輪輻拉伸位置、通風孔附近的von Mises應力,如下圖5所示。

       

3.2疲勞分析結果 

      考察輪輻拉伸位置、通風孔附近的疲勞壽命如下圖6所示。

         

3.3分析結果匯總

    

4 分析結果 

      對比模型1與模型2、模型4與模型5的分析結果，實體和殼兩種離散方式，車輪輪輻拉伸位置與通風孔附近，實體離散方式應力低于殼。可知，由于實體單元（減縮積分單元）在厚度方向上僅有3層，分析結果不精確，故應采取殼單元對車輪進行離散。 

      對比模型3與模型4結果，接觸對和GAPUNI單元兩種接觸模擬方法，二者在輪輻拉伸位置應力均為350.7MPa，超過屈服極限350MPa，二者等效塑性應變略有不同，僅相差0.003%，壽命分別為14170次與17600次。 利用接觸對與GAPUNI單元兩種接觸模擬方法，計算結果相差不大，利用GAPUNI單元模擬接觸建模簡單，易收斂，故推薦使用GAPUNI單元模擬接觸。 

      對比模型1與模型4結果，對于殼單元，考慮預緊力與接觸時，螺栓安裝面（接觸位置）應力與等效塑性應變明顯降低。可知，考慮預緊力與接觸時，避免了建模引起的螺栓安裝面處的應力集中。 

5 結論 

      本文采用HyperMesh軟件對車輪利用5種建模方式進行離散，在彎曲工況下進行強度分析和疲勞分析，研究對比了分別用殼單元與體單元離散車輪，在螺栓安裝面是否模擬預緊力與接觸，接觸模擬方式不同（接觸對與GAPUNI單元）時，車輪的強度與疲勞分析結果，可知采用模型4的方法（殼單元離散，考慮預緊力，用GAPUNI模擬接觸）強度、疲勞分析結果最為準確，且此方法使用殼單元建模簡單，GAPUNI單元相比接觸對建模簡單，分析易收斂，考慮螺栓預緊力，能正確模擬車輪彎曲試驗工況的受力狀態，保證了結果的精確度。