輪轂試驗的案例
基于輪轂試驗標(biāo)準(zhǔn)的專用分析程序開發(fā)
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作者：褚廷杰 上海安世亞太結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程師
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編者按
作者分析了利用ACT基于以上輪轂試驗標(biāo)準(zhǔn)進行開發(fā)和封裝輪轂標(biāo)準(zhǔn)試驗常用的三種工況；并將彎曲疲勞工況具體展開演示。
輪轂試驗標(biāo)準(zhǔn)專用分析程序
輪轂設(shè)計時需要遵循國內(nèi)相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)，以汽車輪轂為例，在國標(biāo)《GB/T 26036-2020 汽車輪轂用路和金模鍛件》中，詳細規(guī)定了汽車輪轂用鋁合金模鍛件的要求、試驗方法、檢驗規(guī)則及標(biāo)志等內(nèi)容。
26036標(biāo)準(zhǔn)中要求了汽車輪轂的動態(tài)彎曲疲勞試驗、動態(tài)徑向疲勞試驗應(yīng)符合GB/T 5334（乘用車）及GB/T 5909（商用車）的規(guī)定。沖擊試驗應(yīng)符合GB/T 15704的規(guī)定。
針對以上疲勞試驗、沖擊試驗要求，可利用CAE仿真技術(shù)進行虛擬樣機快速校核，大大提高現(xiàn)場試驗通過率，降低試驗成本。再進一步基于ANSYS ACT二次開發(fā)，可實現(xiàn)對CAE仿真技術(shù)和方法的進一步封裝，提高仿真效率。
本專用分析程序利用ACT基于以上輪轂試驗標(biāo)準(zhǔn)進行開發(fā)，封裝了輪轂標(biāo)準(zhǔn)試驗常用的三種工況：
13°沖擊試驗；
彎曲疲勞試驗；
徑向疲勞試驗。
基于此專用程序可以快速校核標(biāo)準(zhǔn)工況下的輪轂設(shè)計方案。該專用分析程序的主要特色：
專用的分析模板，降低了輪轂結(jié)構(gòu)分析的難度，提高了效率；
依據(jù)26036標(biāo)準(zhǔn)，集成了3種輪轂測試工況，可進行相關(guān)虛擬試驗；
計算報告一鍵生成；
下文將以彎曲疲勞工況為例展示本程序。
展開 SimLab sT 及 SimSolid 在輪轂優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用
3.2.2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果解讀及重構(gòu)
如圖 3-3 所示，密度值 0.1 時的一個優(yōu)化結(jié)果，從拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可以看出，輪轂可以 設(shè)計成 10 輻條的輪轂，下面將根據(jù)輪轂的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進行幾何的模型重構(gòu)，最終幾何 模型如圖 3-4 所示。
4 輪轂沖擊強度靜態(tài)驗證
輪轂的沖擊試驗是將輪轂安裝在與水平地面成角度 13°±1°的臺架上，然后沿垂直向下施加沖擊力，模擬車輪在實際行駛受到來自軸向的沖擊力或者石塊等物的沖擊。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[5]判斷其實驗結(jié)果，當(dāng)出現(xiàn)有以下某一種情形則判斷輪轂破壞：
（1）輪輻的任一斷面處有目測可見的穿透裂紋；
（2）輪輻從輪輞上分離或者出現(xiàn)明顯的裂紋；
（3）輪胎氣壓在1.0min內(nèi)漏盡。
若試驗后輪轂未出現(xiàn)以上幾種情形，就判斷輪轂合格。本文建立輪轂沖擊仿真模型， 對其進行模態(tài)分析以及沖擊試驗靜力學(xué)分析。
4.1 模態(tài)分析
本文利用 SimSolid 軟件建立輪轂模態(tài)分析的過程為：導(dǎo)入輪轂幾何，定義材料屬性， 建立模態(tài)分析類型，建立約束，求解。整個過程不到一分鐘即可完成。得到的前 6 階振型 結(jié)果如下：
從輪轂的模態(tài)變形圖可知：安裝凸臺與輪輻的變形很小，輪輞的變形則很大，主要是 因為在安裝凸臺處施加了約束，同時輪輻和凸臺的厚度較大，能夠承受較大的強度，輪輞 的剛度較差，主要是沒有輻板的支撐造成的。同時是符合設(shè)計要求的，因此輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計 較為合理。
4.2 沖擊試驗靜力學(xué)分析
輪轂沖擊試驗實際上是瞬態(tài)動力學(xué)問題，為了方便設(shè)計模型快速性能校核，本文建立簡化模型，利用 SimSolid 軟件進行靜態(tài)分析。
展開 【技術(shù)】天洑數(shù)據(jù)建模實施案例集錦（3）- 風(fēng)力機輪轂強度快速評估
建模方法和結(jié)果：圖1所示的建模方法采用了GBDT、隨機森林和AIAgent等多種算法進行回歸分析，最終選取精度最高的模型；
圖1 基于DTEmpower軟件平臺的輪轂強度分析建模流程和結(jié)果。首先利用AIPOD的智能采樣功能計算生成數(shù)據(jù)集，然后在DTEmpower中進行建模分析
3. 建模結(jié)果分析：結(jié)合DTEmpower數(shù)據(jù)建模工具，使用 AIAgent擬合輸入輸出變量之間的映射關(guān)系，可使模型的R2指標(biāo)達到99%以上，優(yōu)于其他訓(xùn)練算法。
輪轂強度分析建模試驗2
1. 數(shù)據(jù)集介紹：某頭部風(fēng)機制造商提供的結(jié)構(gòu)應(yīng)力評估數(shù)據(jù)集，含有15維輸入，為5個測點在三個方向上的載荷；輸出為9個測點的應(yīng)力，共27維。數(shù)據(jù)集中有2400個樣本，目標(biāo)是快速評估測點的結(jié)構(gòu)應(yīng)力；
2. 建模方法和結(jié)果：圖3所示的建模方法在試驗1的基礎(chǔ)上綜合使用了ROD、MDI/MDA等數(shù)據(jù)和特征的預(yù)處理技術(shù)。然后在不同的實驗條件下對比模型的評價指標(biāo)。其中ROD是一種基于回歸分析并搭配使用天洑軟件自研的tf_accuracy作為評價指標(biāo)的異常點檢測方法。ROD在本數(shù)據(jù)集上的檢測結(jié)果如圖2所示；
圖2 ROD的異常點檢測結(jié)果，ROD成功的檢測出部分樣本的輸出變量量綱較小，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中存在樣本采樣不均衡的問題，并得到客戶認(rèn)可
圖3 基于ROD的輪轂強度分析建模對比結(jié)果：試驗中使用了普通的異常點檢測算法和ROD進行異常點的篩選。對比結(jié)果表明了ROD在挖掘工業(yè)數(shù)據(jù)集中 “潛在異常點”的優(yōu)秀性能
3. 建模結(jié)果分析：結(jié)合DTEmpower數(shù)據(jù)建模工具，并綜合使用ROD、MDA和AIAgent，通過層層遞進式的數(shù)據(jù)挖掘探索和建模，可使最終模型的R2指標(biāo)達到0.94左右。
展開 負(fù)游隙對輪轂軸承摩擦力矩的影響
輪轂軸承安裝到芯軸上，芯軸固定在傳動主軸上，伺服電機通過傳動主軸、輪轂軸承連接，各部件通過對測試部件進行徑向和軸向加載，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞到外圈和襯套，再由連桿傳遞到扭矩傳感器，然后通過扭矩傳感器測出相應(yīng)的數(shù)值，從而得到輪轂軸承的摩擦力矩。輪轂軸承的摩擦力矩測試設(shè)備，如圖4所示。
圖4 汽車輪轂軸承摩擦力矩試驗機
Fig.4 Friction Torque Testing Machine of Automobile Hub Bearing
圖5 輪轂軸承摩擦力矩檢測原理
Fig.5 Friction Torque Detection Principle of Hub Bearing
試驗中按照圖5的檢測原理圖將汽車輪轂軸承裝上工裝，一側(cè)連接旋轉(zhuǎn)主軸，主軸通過電機轉(zhuǎn)動，另一側(cè)連接連桿，軸承選裝后通過連桿傳導(dǎo)力矩至力矩傳感器，進而輸出力矩值。
4.2 試驗工況
本試驗的測試對象為某車型第三代汽車雙列角接觸球輪轂軸承。在生產(chǎn)線上挑選出不同負(fù)游隙的輪轂軸承作為試驗測試樣件，在實際生產(chǎn)過程中，由于各種誤差的存在，且輪轂軸承鉚接后的負(fù)游隙目前還難以準(zhǔn)確檢測，因此試驗中的負(fù)游隙為根據(jù)鉚接前游隙得到的理論計算值，并且軸承的負(fù)游隙值比較隨機，不能保證等范圍選取，試驗選取的測試樣本負(fù)游隙值分別為（-0.036）mm、（-0.030）mm、（-0.023）mm、（-0.020）mm、（-0.014）mm 及（-0.010）mm。
展開 
錘擊法對輪轂進行模態(tài)分析
模態(tài)分析與試驗是其中關(guān)鍵技術(shù)之一，通過模態(tài)試驗分析，得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，可為結(jié)構(gòu)設(shè)計部門進行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、結(jié)構(gòu)動力特性優(yōu)化設(shè)計和修改提供準(zhǔn)確的參數(shù)依據(jù)和方向。
輪轂是汽車運動的重要部件，在行駛過程中，承受來自路面不同幅值、不同頻率的激勵以及動力系統(tǒng)傳遞到輪轂的各種激勵，從而引起輪轂不同形態(tài)的變形。其性能的優(yōu)劣將直接關(guān)系到汽車的操縱穩(wěn)定性、行駛安全性和乘坐舒適性等，而當(dāng)動態(tài)變形波動的次數(shù)累積到某一個固定值，就會造成材料的永久變形和疲勞裂紋，繼而導(dǎo)致永久失效。
圖1 輪轂
從結(jié)構(gòu)疲勞的角度來看，在輪轂設(shè)計時應(yīng)盡量避免因其固有頻率與其它系統(tǒng)共振引起的失效和乘車舒適性不佳的問題；從噪聲振動傳遞特性的角度來看，汽車在行駛過程中，路面激勵首先作用到輪胎上，再由輪轂傳遞到輪輻，進而通過懸架傳遞到車內(nèi)，所以輪輻和輪轂之間的傳遞特性是整條傳遞路徑中關(guān)鍵的一環(huán)，因此獲得并優(yōu)化車胎的傳遞特性，可有效的消除車內(nèi)的振動噪音。
另一方面，輪轂的側(cè)向剛度也是影響車內(nèi)噪音和振動的關(guān)鍵參數(shù)，側(cè)向剛度越大，車輪抵抗變形的能力越強，其大小也決定著輪胎的隔振性能。同時，這些關(guān)鍵參數(shù)之間相互影響，因此準(zhǔn)確地獲得這些試驗參數(shù)，分析輪轂的振動噪音特性，為最終輪轂的設(shè)計、優(yōu)化提供可靠的試驗依據(jù)，并能有效地解決汽車的振動噪聲問題，改善乘車舒適性。
2 應(yīng)用案例
東風(fēng)汽車采用漢航Hunter Box硬件和NTS.LAB模態(tài)測試分析及輪胎力傳遞率和側(cè)向剛度分析軟件，通過試驗方法獲取結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息、力傳遞率及剛度參數(shù)，并與有限元結(jié)果進行對比，從而驗證有限元模型的準(zhǔn)確性以及可供優(yōu)化設(shè)計的方向。
2.1 車輪模態(tài)試驗分析
輪轂的約束條件一般有：自由懸掛和柔性支撐。
展開 輪轂結(jié)構(gòu)仿真CAE解決方案
1輪轂結(jié)構(gòu)仿真需求分析
a.輪轂強度/剛度分析
通過輪轂結(jié)構(gòu)的剛強度分析，可以獲得該輪轂在某工況載荷作用下，其強度/剛度是否能達到設(shè)計的性能要求。在輪轂結(jié)構(gòu)分析中會涉及非線性問題分析包含非線性接觸問題分析。
b.輪轂疲勞分析
在輪轂強度分析的基礎(chǔ)上，將結(jié)果輸入到疲勞分析軟件中，并在其中定義疲勞載荷譜，材料疲勞特性等數(shù)據(jù)，進行疲勞計算，獲得彎曲/徑向工況疲勞壽命。
c.輪轂顯示動力學(xué)分析
主要模擬輪轂沖擊、碰撞等瞬間發(fā)生的物理現(xiàn)象。通過輪轂沖擊的CAE仿真分析可以預(yù)測產(chǎn)品的抗沖擊性能是否滿足設(shè)計要求。
d.輪轂優(yōu)化分析
輪轂產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)中不僅存在強度與剛度不足問題，也會存在剛度與強度過量問題，即某些局部結(jié)構(gòu)不必要地使用了過大的尺寸數(shù)據(jù)而導(dǎo)致材料浪費，重量增加，對成本、運輸和安裝都不利。
2輪轂結(jié)構(gòu)仿真CAE解決方案
a.輪轂剛強度分析
通過ansys mechanical可以有效模擬輪轂彎曲工況強度的分析，預(yù)測結(jié)構(gòu)易于損壞的關(guān)鍵部位。
b.輪轂疲勞分析
原輪轂根部最大等效應(yīng)力為126.6MP；疲勞壽命系數(shù)為1.8，不能滿足設(shè)計要求；改進結(jié)構(gòu)后輪轂根部最大等效應(yīng)力為64.3MP； 疲勞壽命系數(shù)滿足設(shè)計要求。
c.輪轂顯式動力學(xué)分析
通過ANSYS STR強大的顯式動力學(xué)分析功能可以快速模擬輪轂的臺架沖擊試驗，從而預(yù)測產(chǎn)品的抗沖擊性能是否滿足設(shè)計要求。
d.輪轂優(yōu)化設(shè)計分析
來源：安世亞太
展開 某型汽輪給水機組性能仿真試驗與研究
某乘用車座椅E-NCAP鞭打性能仿真優(yōu)化與試驗對比[J]. 建模與仿真, 2020, 9(1): 56-64.
https://doi.org/10.12677/MOS.2020.91007
4.成渫畏, 王學(xué)棟, 姜維軍, 宋巖. 高背壓供熱機組給水泵汽輪機改造的經(jīng)濟性分析和方案優(yōu)化[J]. 清潔煤與能源, 2020, 8(2): 13-20.
https://doi.org/10.12677/CCE.2020.82003
5.潘漢明, 付海兵, 孔愛祥, 雷良育. 電動汽車用輪轂電機性能試驗臺設(shè)計[J]. 儀器與設(shè)備, 2015, 3(2): 28-34.
http://dx.doi.org/10.12677/IaE.2015.32005
文章來源：漢斯出版社
展開 碳纖維汽車輪轂的剛度和強度分析 ￥19.89
此外，當(dāng)輪轂中充滿氣體時，輪輻部分也會受到氣體壓力的影響，從而產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力，這種應(yīng)力可以通過殘余應(yīng)力和靜態(tài)初始應(yīng)力的比較來確定。當(dāng)汽車行駛時，車輪承受的負(fù)荷會超出其疲勞極限，因此，車輪的最大負(fù)荷水平會直接影響其使用壽命，而且，汽車的驅(qū)動力也會隨著負(fù)荷的增加而發(fā)生變化[13-14]。
輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計是在保證足夠強度要求下，提高輪轂的可靠性，減輕輪轂的重量并設(shè)計出外型符合審美標(biāo)準(zhǔn)的輪轂。車輪動態(tài)彎曲疲勞實驗是國際通用的標(biāo)準(zhǔn)實驗方法 [15]。隨著有限元法的不斷改進，它已經(jīng)成為一種有效的輪轂設(shè)計方法，可以有效地節(jié)省原材料，大大提升輪轂的性能和使用壽命。目前，大多數(shù)生產(chǎn)輪轂的廠家都用有限元法根據(jù)《轎車鋼制車輪性能要求和實驗方法》建立輪轂的有限元模型對其進行結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)動態(tài)彎曲疲勞試驗裝置，運用有限元方法對輪轂施加約束和載荷大小，通過計算可得到輪轂中應(yīng)力大小和應(yīng)力集中的位置，從而可以得到輪轂中易產(chǎn)生斷裂的部位。這樣在優(yōu)化輪轂結(jié)構(gòu)時，可以對輪轂局部位置進行修改，降低應(yīng)力集中[16-17]。
由于車輪要受到地面與輪轂相互作用力和各種力矩，所以在汽車零部件中破壞最嚴(yán)重。所以汽車疲勞壽命長短關(guān)系到汽車行駛的可靠性、穩(wěn)定性。因此我國根據(jù)汽車行駛的實際情況，專門制定了關(guān)于汽車鋼制輪轂和鋁合金輪轂都要進行動態(tài)彎曲和徑向疲勞試驗的標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)輪轂的受力工況來看，車輪在彎曲載荷的作用下造成的失效要比徑向載荷造成的破壞大，所以本次分析主要是根據(jù)彎曲疲勞試驗中輪轂的受力情況，對汽車輪轂進行有限元分析。為了縮短生產(chǎn)周期，提高制造輪轂材料的利用率，可以在作輪轂前期對其進行疲勞壽命的估算，若符合設(shè)計要求再生產(chǎn)，然后進行彎曲疲勞試驗，這樣不但能根據(jù)估算的疲勞壽命對輪轂進行再設(shè)計和改進來提高輪轂的疲勞壽命也可以在后期的疲勞試驗中獲得比較理想的結(jié)果[18-20]。
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