CN105046012A - 一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳试验仿真方法 - Google Patents
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Abstract
一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳试验仿真方法，它有四大步骤：步骤一：建立车轮双轴疲劳虚拟实验的有限元模型；步骤二：对车轮在双轴载荷作用下的运动学分析；步骤三：对车轮进行双轴载荷作用下的强度分析；步骤四：车轮双轴疲劳损伤分析。本发明基于车轮双轴疲劳试验标准SAE？J2562和ES3.23，对车轮在完整双轴载荷序列作用后的损伤进行仿真计算，对车轮受双轴载荷作用时的运动学进行分析，避免直接施加双轴载荷导致计算不收敛，同时提高了仿真速度。它在汽车及机械工程技术领域里具有实用价值。
Description
技术领域
本发明提供一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳试验仿真方法，它涉及一种汽车车轮双轴疲劳虚拟试验方法，它具体涉及一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳的有限元仿真方法，属于汽车及机械工程技术领域。
背景技术
车轮是汽车的关键安全部件，对汽车的行驶安全性、稳定性及平顺性等有重要作用。车轮工作在随机载荷下，因此其疲劳寿命问题是研制过程中最关心的问题。目前常用的考核汽车车轮疲劳强度的弯曲疲劳试验、径向疲劳试验都是单项进行的，不能反映车轮的真实受力情况。车轮双轴疲劳试验机同时对车轮进行径向加载和侧向加载，真实地反映了汽车行驶过程中车轮的实际受力情况，是公认的可较好反映车轮真实受力情况的试验方法。由于车轮双轴疲劳试验测试周期长，成本高，因此在车轮设计阶段，期望能够对车轮双轴疲劳特性进行虚拟试验，快速的获得每一次设计车轮的性能参数发现结构设计的不合理处，从而提出改进方案并指导实际试验，最终缩短车轮研发周期，节约开发成本。
发明内容
1、目的：本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳试验仿真方法，它是一种完整的可应用于车轮双轴疲劳虚拟实验的有限元仿真方法。该方法基于美国汽车工程师协会标准：SAEJ2562“双轴车轮疲劳试验”及欧洲车轮制造商协会标准：ES3.23“货车车轮双轴疲劳试验”，对车轮施加完整序列的载荷谱，可以真实反映车轮双轴疲劳载荷工况。该方法在同时考虑双轴载荷及轮胎特性情况下，增加车轮运动学分析，有效避免由于胎-轮间复杂接触而导致的计算不收敛，同时缩短仿真时间，提高计算效率。
2、技术方案
本发明提供一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳试验仿真方法，它基于车轮双轴疲劳试验标准SAEJ2562和ES3.23，构建考虑轮胎结构和车轮侧倾方位载荷环境的车轮双轴疲劳试验仿真模型，通过施加标准ES3.23中的完整加载序列对双轴载荷作用下车轮的应力分布进行计算。基于各载荷作用下的应力计算结果，对每种载荷作用车轮一个周期过程中产生的损伤进行仿真，按照载荷谱中所规定的不同载荷的加载次数，应用Miner法则对各损伤结果进行叠加，实现车轮双轴疲劳试验的虚拟仿真。
本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳试验仿真方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一：建立车轮双轴疲劳虚拟实验的有限元模型。基于车轮双轴疲劳试验标准SAEJ2562和EUWAES3.23，按照标准要求在CAD软件中对车轮双轴疲劳虚拟实验所需的模型进行三维建模，并导入CAE软件中进行有限元模型的建立。模型中包括转鼓、轮胎、轮辐、轮辋、加载盘及加载架及侧向加载器，如图2(a)-(h)所示。
步骤二：对车轮在双轴载荷作用下的运动学分析。车轮在侧向力作用时会产生侧倾，为避免对车轮直接施加双轴载荷而导致计算不收敛，首先对车轮进行运动学分析，获得车轮在各个双轴载荷作用时的侧倾角度及方向。
步骤三：对车轮进行双轴载荷作用下的强度分析。基于步骤二得到的各双轴载荷工况下的车轮侧倾角度及方向，对车轮有限元仿真模型进行相应的设置。按步骤对车轮施加空气载荷、径向载荷及侧向载荷，计算车轮在98组双轴载荷作用下的应力分布。
步骤四：车轮双轴疲劳损伤分析。基于步骤三得到的车轮在98组双轴载荷作用的应力结果，应用疲劳寿命分析软件对车轮在各载荷加载后的损伤进行分析，并根据车轮在各载荷下的转数对损伤进行叠加，得到车轮按双轴疲劳载荷谱进行完整加载一次后的总损伤数值。
其中，在步骤一中所述的“SAEJ2562”，是美国汽车工程师协会2003年发布的双轴车轮疲劳试验标准，标准号是J2562。
其中，在步骤一中所述的“ES3.23”，是欧洲车轮制造商协会2006年发布的货车车轮双轴疲劳试验标准，标准号是ES3.23。
其中，在步骤一中所述的“CAD软件”，是法国达索系统(DassaultSystemesS.A)下的子公司开发的SOLIDWORKS软件。
其中，在步骤一中所述的“CAE软件”，是法国达索系统(DassaultSystemesS.A)下的子公司开发的ABAQUS软件。
其中，在步骤三中所述的“98组双轴载荷”，是EUWA标准ES3.23中列出的98组载荷序列。
其中，步骤四中所述的“疲劳分析软件”，是法国达索系统(DassaultSystemesS.A)下的子公司开发的FE-SAFE软件。
综上所述，通过上列四个步骤，实现汽车车轮双轴疲劳试验的虚拟仿真。
3、优点及功效：本发明的优点在于：(1)基于车轮双轴疲劳试验标准SAEJ2562和ES3.23，对车轮在完整双轴载荷序列作用后的损伤进行仿真计算。(2)对车轮受双轴载荷作用时的运动学进行分析，避免直接施加双轴载荷导致计算不收敛，同时提高仿真速度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的车轮双轴疲劳虚拟试验方法的流程图。
图2(a)是本发明实施例提供的车轮双轴疲劳虚拟试验的加载盘模型图。
图2(b)是本发明实施例提供的车轮双轴疲劳虚拟试验的加载架模型图。
图2(c)是本发明实施例提供的车轮双轴疲劳虚拟试验的侧向加载器模型图。
图2(d)是本发明实施例提供的车轮双轴疲劳虚拟试验的轮辐模型图。
图2(e)是本发明实施例提供的车轮双轴疲劳虚拟试验的轮辋模型图。
图2(f)是本发明实施例提供的车轮双轴疲劳虚拟试验的轮胎模型图。
图2(g)是本发明实施例提供的车轮双轴疲劳虚拟试验的转鼓模型图。
图2(h)是本发明实施例提供的车轮双轴疲劳虚拟试验的三维模型图。
图3是本发明实施例提供车轮双轴疲劳试验运动学分析模型。
图4是本发明实施例提供的车轮双轴疲劳试验车轮强度分析模型。
图5是本发明实施例提供的车轮按载荷谱完整加载一次损伤云图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，请参阅图1。
本发明一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳试验仿真方法，它包括下列步骤：
步骤一：建立车轮双轴疲劳虚拟实验的三维模型。基于车轮双轴疲劳试验标准SAEJ2562和EUWAES3.23，按照标准要求在CAD软件中对车轮双轴疲劳虚拟实验所需的模型进行三维建模。模型中包括转鼓、轮胎、轮辐、轮辋、加载盘及加载架及侧向加载器，如图2(a)-(h)所示。
步骤二：对车轮在双轴载荷作用下的运动学进行分析。将车轮双轴疲劳虚拟实验的三维模型导入到CAE软件。将所有结构设置为刚体，按照标准ES3.23中规定的98组载荷序列依次对车轮进行运动学分析，获得车轮在各双轴载荷作用下的侧倾方向及侧倾角。对车轮进行运动学分析中载荷的施加分分两步进行，如图3所示。第一步在加载架施加径向加载，第二步保持径向载荷不变，通过侧向加载器施加侧向载荷。
步骤三：对车轮进行双轴载荷作用下的强度分析。建立车轮在双轴载荷作用下强度分析的有限元模型，模型中将转鼓及加载杆设置为刚体，其他结构设置为弹性体。基于步骤二得到的各双轴载荷工况下的车轮侧倾角度及方向，对车轮有限元仿真模型进行相应的几何设置，如图4所示。
车轮在双轴载荷作用下的加载过程分为三个步骤：
1、施加空气载荷。在轮胎内表面和轮辋表面胎圈座以内的部分施加充气压力载荷。
2、单独施加径向载荷，通过加载架对车轮施加径向载荷。
3、保持径向载荷不变，通过加载架对车轮施加侧向载荷。
对车轮按上述步骤分别施加空气载荷、径向载荷及侧向载荷，依次计算车轮在98组双轴载荷作用下的应力分布。
步骤四：车轮双轴疲劳损伤分析。车轮的损伤分析过程需要设置适当的载荷谱来模拟车轮旋转一周的过程。仿真计算时对车轮在某一方向进行双轴加载之后，旋转轮辐和轮辋装配体36度，其他结构及载荷保持不变，进行该载荷状态下第二次加载计算，然后再旋转轮辐和轮辋装配体36度，进行该载荷状态下第三次加载计算，如此该载荷状态下共进行十次加载计算，得到十个应力结果，用这十个应力结果模拟车轮旋转一周的过程。
将上述同一载荷作用于车轮得到的10个应力结果导入疲劳分析软件FE-SAFE中，设置相应载荷修正得到的车轮S-N曲线，计算得到该载荷工况作用于车轮一圈产生的损伤数值。
按上述方法，依次对载荷谱中98组载荷序列进行双轴疲劳强度仿真，并进行损伤分析，获得每种载荷作用车轮一圈产生的损伤数值。根据载荷谱中所规定的不同载荷的施加次数不同，应用Miner法则对各损伤结果进行叠加，得到车轮按照标准载荷谱加载一个完整循环后的损伤云图，如图5所示。
综上所述，通过上列四个步骤，得到车轮按照标准双轴载荷谱加载一个完整循环后的损伤云图，实现汽车车轮双轴疲劳试验的虚拟仿真。
Claims (7)
1.一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳试验仿真方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：建立车轮双轴疲劳虚拟实验的有限元模型：基于车轮双轴疲劳试验标准SAEJ2562和EUWAES3.23，按照标准要求在CAD软件中对车轮双轴疲劳虚拟实验所需的模型进行三维建模，并导入CAE软件中进行有限元模型的建立；模型中包括转鼓、轮胎、轮辐、轮辋、加载盘及加载架及侧向加载器；
步骤二：对车轮在双轴载荷作用下的运动学分析：车轮在侧向力作用时会产生侧倾，为避免对车轮直接施加双轴载荷而导致计算不收敛，首先对车轮进行运动学分析，获得车轮在各个双轴载荷作用时的侧倾角度及方向；
步骤三：对车轮进行双轴载荷作用下的强度分析：基于步骤二得到的各双轴载荷工况下的车轮侧倾角度及方向，对车轮有限元仿真模型进行相应的设置，按步骤对车轮施加空气载荷、径向载荷及侧向载荷，计算车轮在98组双轴载荷作用下的应力分布；
步骤四：车轮双轴疲劳损伤分析：基于步骤三得到的车轮在98组双轴载荷作用的应力结果，应用疲劳寿命分析软件对车轮在各载荷加载后的损伤进行分析，并根据车轮在各载荷下的转数对损伤进行叠加，得到车轮按双轴疲劳载荷谱进行完整加载一次后的总损伤数值。
2.根据权利要求1所述的一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳试验仿真方法，其特征在于：在步骤一中所述的“SAEJ2562”，是美国汽车工程师协会2003年发布的双轴车轮疲劳试验标准，标准号是J2562。
3.根据权利要求1所述的一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳试验仿真方法，其特征在于：在步骤一中所述的“ES3.23”，是欧洲车轮制造商协会2006年发布的货车车轮双轴疲劳试验标准，标准号是ES3.23。
4.根据权利要求1所述的一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳试验仿真方法，其特征在于：在步骤一中所述的“CAD软件”，是法国达索系统下的子公司开发的SOLIDWORKS软件。
5.根据权利要求1所述的一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳试验仿真方法，其特征在于：在步骤一中所述的“CAE软件”，是法国达索系统下的子公司开发的ABAQUS软件。
6.根据权利要求1所述的一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳试验仿真方法，其特征在于：在步骤三中所述的“98组双轴载荷”，是EUWA标准ES3.23中列出的98组载荷序列。
7.根据权利要求1所述的一种考虑车轮侧倾的汽车车轮双轴疲劳试验仿真方法，其特征在于：步骤四中所述的“疲劳分析软件”，是法国达索系统下的子公司开发的FE-SAFE软件。
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