CN113378421B - 一种机械弹性车轮径向疲劳寿命评价及预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机械弹性车轮径向疲劳寿命评价及预测方法，首先建立机械弹性车轮的有限元模型；然后对所述机械弹性车轮的有限元模型进行转鼓试验，模拟加载仿真；接着对所述转鼓试验模拟加载仿真结果进行疲劳耐久性仿真，获取机械弹性车轮各节点单元在转鼓试验中不发生破坏时的最大循环次数；最后计算机械弹性车轮的里程寿命；本发明提供的径向疲劳寿命评价及预测方法，将转鼓径向疲劳寿命试验与有限元方法、疲劳寿命计算方法结合起来，不仅能实现对机械弹性车轮径向疲劳寿命的有效评价与预测，而且具有十分广阔的应用前景。

Description

一种机械弹性车轮径向疲劳寿命评价及预测方法
技术领域
本发明涉及轮胎性能评价技术领域，主要涉及一种机械弹性车轮径向疲劳寿命评价及预测方法。
背景技术
目前车轮的疲劳评价主要有车轮弯曲疲劳台架试验、车轮径向疲劳台架试验、车轮双轴疲劳台架试验。这些疲劳评价是在相应的专业疲劳试验机上，运行时间需要几天至几星期，评价周期长，成本高。为解决车轮实际疲劳评价体系存在的上述问题，本发明专利采取虚拟评价的方法对机械弹性车轮的径向疲劳寿命进行研究，可以缩短产品开发周期和降低开发成本。
国内外目前对车轮寿命的虚拟评价主要还是针对充气车轮，J.Steams等用有限元法模拟铝合金车轮的径向疲劳试验，并考虑了轮胎及气压的影响，建立起有效的力学模型，得到车轮的应力应变分布。韦东来等将动态接触转化成节点可相对移动的缓冲过渡层，提出径向疲劳模型中轮胎与轮辋接触问题的解决方法，并进行了铝合金车轮径向疲劳试验的数值仿真。针对非充气车轮疲劳寿命的虚拟评价研究较少，因此，本发明专利提供的非充气机械弹性车轮的径向疲劳寿命虚拟评价方法具有十分重要的现实意义。
发明内容
发明目的：本发明针对目前现有技术中针对非充气车轮疲劳寿命的虚拟评价研究较少的问题，提供一种机械弹性车轮径向疲劳寿命评价及预测方法，将转鼓径向疲劳寿命试验与有限元方法、疲劳寿命计算方法结合起来，实现对机械弹性车轮径向疲劳寿命的有效评价与预测。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种机械弹性车轮径向疲劳寿命评价及预测方法，包括以下步骤：
步骤S1、建立机械弹性车轮的有限元模型；
对机械弹性车轮进行三维建模，获取三维几何模型；对所述三维几何模型进行网格划分，建立有限元模型；
步骤S2、对所述机械弹性车轮的有限元模型进行转鼓试验，模拟加载仿真；
对所述机械弹性车轮有限元模型进行分析计算，进行转鼓试验径向疲劳耐久性仿真；获取机械弹性车轮在转鼓模拟试验中转动一圈的应力云图，即所述机械弹性车轮有限元模型的单元应力结果；所述转鼓试验耐久性工况仿真的加载条件与所述车轮实际进行耐久性试验时的加载条件相同。
步骤S3、对所述转鼓试验模拟加载仿真结果进行疲劳耐久性仿真，获取机械弹性车轮各节点单元在转鼓试验中不发生破坏时的最大循环次数；
根据机械弹性车轮在转鼓试验中获取的应力云图进行疲劳计算，获取机械弹性车轮寿命云图，即得到机械弹性车轮的各节点单元在转鼓试验中不发生破坏时的最大循环次数，所述最大循环次数在寿命云图中以循环次数的对数值显示；
步骤S4、根据步骤S3所述最大循环次数，计算机械弹性车轮的里程寿命；
根据如下公式计算机械弹性车轮的里程寿命：
S＝2πrnm
其中，S为轮式车辆非充气车轮总寿命，r为轮式车辆非充气车轮半径，nm为轮式车辆非充气车轮转动圈数，即步骤S3中获取的最大循环次数。
进一步地，所述步骤S2中转鼓试验采用圆周均布加载法；具体地，
按车轮行驶时的转动速度旋转外载荷的作用区域，车轮每旋转一周，均匀划分为若干个载荷步，其中每个载荷步车轮旋转角度相同，且每个载荷步设置一定的质量力，以此模拟在转鼓试验中车轮旋转一周的动态变化及应力情况。
进一步地，所述步骤S3中疲劳耐久性仿真采用Brown-Miller法则，具体表达式如下：
Morrow平均应力修正后：
其中△γ为剪应变；△εn为剪应变面的法向应变，σ′f为等效主应力；ε′f为等效主应变；σm为平均主应力；Nf为疲劳循环次数；b、c均为材料特性常数。
有益效果：
本发明提供的机械弹性车轮径向疲劳寿命评价及预测方法，将转鼓径向疲劳寿命试验与有限元方法、疲劳寿命计算方法结合起来，不仅能实现对机械弹性车轮径向疲劳寿命的有效评价与预测，而且具有十分广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明提供的机械弹性车轮径向疲劳寿命评价及预测方法流程图；
图2是本发明实施例中机械弹性车轮的铰链编号；
图3是本发明实施例中60km/h、2500kg质量力加载时转鼓模拟试验的车轮对应编号铰链的最大应力值；
图4是本发明实施例中60km/h、2500kg质量力加载时转鼓模拟试验的车轮对应编号铰链的寿命对数值。
具体实施方式
下面结合附图提供一个具体实施例，对本发明作更进一步的说明。
如图1所示的一种机械弹性车轮径向疲劳寿命评价及预测方法，包括以下步骤：
步骤S1、建立机械弹性车轮的有限元模型；
首先根据机械弹性车轮图纸，在SolidWorks建模软件中进行三维建模后，得到三维几何模型；采用ABAQUS软件对机械弹性车轮几何模型记性网格划分，建立有限元模型。机械弹性车轮有限元模型采用实体单元SOLID92，主要受力区域要确保网格质量和网格密度，其他位置为了减少计算量可适当增大单元网格大小。
步骤S2、对所述机械弹性车轮的有限元模型进行转鼓试验，模拟加载仿真。
本实施例中采用ABAQUS软件对所述机械弹性车轮有限元模型进行分析计算，进行车轮的转鼓试验径向疲劳耐久性仿真，最终得到机械弹性车轮在转鼓模拟试验中转动一圈的应力云图，即机械弹性车轮有限元模型的单元应力结果。
本实施例中采用圆周均布加载法进行转鼓试验模拟加载仿真。具体地，按车轮行驶时的转动速度旋转外载荷的作用区域，车轮每旋转一周，均匀划分为若干个载荷步，其中每个载荷步车轮旋转角度相同，且每个载荷步设置一定的质量力，以此模拟在转鼓试验中车轮旋转一周的动态变化及应力情况。
步骤S3、对所述转鼓试验模拟加载仿真结果进行疲劳耐久性仿真，获取机械弹性车轮各节点单元在转鼓试验中不发生破坏时的最大循环次数。
根据机械弹性车轮在转鼓试验中获取的应力云图进行疲劳计算，本实施例中将机械弹性车轮在转鼓模拟试验中的应力云图导入软件FE-SAFE中，利用其疲劳分析模块进行疲劳计算。Fe-SAFE疲劳分析结果文件可以用ABAQUS后处理显示，通过ABAQUS 后处理显示由FE-SAFE计算得到的机械弹性车轮寿命云图，即得到机械弹性车轮的各节点单元在转鼓试验中不发生破坏时的最大循环次数，所述最大循环次数在寿命云图中以循环次数的对数值显示。
上述疲劳耐久性仿真采用Brown-Miller法则，具体表达式如下：
Morrow平均应力修正后：
其中△γ为剪应变；△εn为剪应变面的法向应变，σ′f为等效主应力；ε′f为等效主应变；σm为平均主应力；Nf为疲劳循环次数；b、c均为材料特性常数。
步骤S4、根据步骤S3所述最大循环次数，计算机械弹性车轮的里程寿命；
根据如下公式计算机械弹性车轮的里程寿命：
S＝2πrnm
其中，S为轮式车辆非充气车轮总寿命，r为轮式车辆非充气车轮半径，nm为轮式车辆非充气车轮转动圈数，即步骤S3中获取的最大循环次数。
如图2所示，对机械弹性车轮的铰链进行编号。转鼓试验耐久性工况仿真中的加载条件与所述车轮进行疲劳试验时的加载条件相同，从图3可以看出，行驶速度为60km/h，载荷为2500kg时，所受的最大应力出现在第14号铰链上，最大应力值为259.4MPa。同时，铰链中轮毂连接件与中间连接件的连接处应力最大，且该最大应力位于轮毂连接件上。
如图4所示，在行驶速度60km/h，载荷为2500kg质量力的条件下，在转鼓试验径向疲劳寿命图上，对应应力最大的第14号铰链，寿命对数最小值为6.566，即循环次数为106.566＝3681289转。疲劳寿命最小点在铰链组上，且位于轮毂连接件与中间连接件的连接处，此分析结果与转鼓径向加载应力图中最大应力点位置一致。
值得注意的是，参照图4，转鼓试验径向疲劳寿命图上，寿命对数最小值为6.566，即循环次数nm＝106.566＝3681289转，进而由公式S＝2πnm及车轮半径可以计算出机械弹性车轮的里程总寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种机械弹性车轮径向疲劳寿命评价及预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、建立机械弹性车轮的有限元模型；
对机械弹性车轮进行三维建模，获取三维几何模型；对所述三维几何模型进行网格划分，建立有限元模型；
步骤S2、对所述机械弹性车轮的有限元模型进行转鼓试验，模拟加载仿真；
对所述机械弹性车轮有限元模型进行分析计算，进行转鼓试验径向疲劳耐久性仿真；获取机械弹性车轮在转鼓模拟试验中转动一圈的应力云图，即所述机械弹性车轮有限元模型的单元应力结果；所述转鼓试验耐久性工况仿真的加载条件与所述车轮实际进行耐久性试验时的加载条件相同；
步骤S3、对所述转鼓试验模拟加载仿真结果进行疲劳耐久性仿真，获取机械弹性车轮各节点单元在转鼓试验中不发生破坏时的最大循环次数；
根据机械弹性车轮在转鼓试验中获取的应力云图进行疲劳计算，获取机械弹性车轮寿命云图，即得到机械弹性车轮的各节点单元在转鼓试验中不发生破坏时的最大循环次数，所述最大循环次数在寿命云图中以循环次数的对数值显示；
步骤S4、根据步骤S3所述最大循环次数，计算机械弹性车轮的里程寿命；
根据如下公式计算机械弹性车轮的里程寿命：
S＝2πrnm
其中，S为轮式车辆非充气车轮总寿命，r为轮式车辆非充气车轮半径，nm为轮式车辆非充气车轮转动圈数，即步骤S3中获取的最大循环次数；
所述步骤S3中疲劳耐久性仿真采用Brown-Miller法则，具体表达式如下：
Morrow平均应力修正后：
其中Δγ为剪应变；Δεn为剪应变面的法向应变；σ′f为等效主应力；ε′f为等效主应变；σm为平均主应力；Nf为疲劳循环次数；b、c均为材料特性常数。
2.根据权利要求1所述的一种机械弹性车轮径向疲劳寿命评价及预测方法，其特征在于，所述步骤S2中转鼓试验采用圆周均布加载法；具体地，
按车轮行驶时的转动速度旋转外载荷的作用区域，车轮每旋转一周，均匀划分为若干个载荷步，其中每个载荷步车轮旋转角度相同，且每个载荷步设置一定的质量力，以此模拟在转鼓试验中车轮旋转一周的动态变化及应力情况。
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