沈　輝，胡春陽，張　巖

(安徽合力股份有限公司，安徽合肥230601)

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基于HyperWorks的某型叉車驅(qū)動輪輪輞強度分析

沈輝，胡春陽，張巖

(安徽合力股份有限公司，安徽合肥230601)

使用有限元軟件HyperWorks建立某型叉車驅(qū)動輪輪輞在彎曲載荷工況和徑向載荷下的有限元模型，并進行靜力學分析，校核輪輞的強度，為設計人員提供參考。

有限元HyperWorks輪輞強度

0　引言

本文的分析對象為某型叉車輪輞總成，該輪輞總成是輪輞體和輪輻組成的焊接件，分析建模時同時將擋圈考慮在內(nèi)。由GB/T 5909-1995[1]可知，載貨汽車鋼制輻板式車輪需進行動態(tài)彎曲疲勞試驗和動態(tài)徑向疲勞試驗。以此標準為依據(jù)，通過對輪輞的彎曲載荷工況和徑向載荷工況進行靜力學仿真，來校核其強度。

輪輞總成中輪輞體的材料為12LW，屈服強度為255 MPa[2]，輪輻的材料為Q345，屈服強度345 MPa。

1　輪輞邊界條件

1.1邊界條件

彎曲載荷工況下，輪輞遠離輪輻側(cè)端部被固定，輪輻受到一彎矩作用，通過施加一徑向載荷來獲得相應的彎矩載荷。

徑向載荷工況下，考慮的是叉車滿載。輪轂通過螺栓連接對輪輻進行固定；輪輞受到內(nèi)胎和外胎的壓強作用，內(nèi)胎的充氣壓強為0.83 MPa；輪輞還受到徑向力的作用。

1.2載荷計算與說明

1.2.1彎曲載荷工況

該工況下輪輻上受到的彎矩M使用下式計算

M=(μR+d)F·S

(1)

式中：M為彎矩；μ為輪胎與路面間摩擦系數(shù)，取0.7；R為輪胎靜負荷半徑，取0.376m；d為輪輞偏距，取0.145m；F為車輪最大靜負荷，取36 425N；S為強化實驗系數(shù)，取1.1。

施加的試驗載荷滿足：

(2)

取力臂長度為1m，得實驗載荷為16 356N。

1.2.2徑向載荷工況

圖1　徑向載荷分布圖

根據(jù)StearnsJ.等提出的徑向載荷余弦分布模型[3-5]，徑向載荷分布于圖中2θ0角度范圍的胎圈座曲面上。

根據(jù)文獻[6]，角度θ處的徑向分布力滿足公式

(3)

(4)

式中：F為單側(cè)胎圈座上受到的徑向力(取1.6倍動載系數(shù))，b為單側(cè)胎圈座寬度，rb為胎圈座半徑，θ0為余弦載荷分布范圍的半角。

在HyperMesh中使輪胎的軸線與x軸重合，徑向力沿-y方向施加，利用點的坐標值并結(jié)合反三角函數(shù)來表示θ。軟件求得的角度值是弧度制，所以θ0也使用弧度制表示，取θ0=35°=0.611rad，由于本文中輪輞的胎圈座不是嚴格的圓柱面，rb取近似平均值，經(jīng)計算，W0=2.20MPa。

得到加載公式為：

Wr=2.20×cos(1.570 796×asin(z/sprt(y2+z2))/0.611)

利用HM加載面板中的equation輸入公式，來施加徑向載荷，方向與總徑向力方向相同。

2　模型建立

使用3D實體單元對輪輞結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，使厚度方向上有不少于3層的單元。輪輻和輪輞體的焊接關(guān)系通過共節(jié)點的方式來模擬，徑向載荷工況下，考慮擋圈與輪輞體之間始終處于壓緊狀態(tài)，它們的接觸關(guān)系也通過共節(jié)點的方式來模擬。

彎曲載荷工況下，約束遠離輪輻側(cè)的一圈節(jié)點，通過rigid單元對輪輻的螺栓孔施加試驗載荷。

徑向載荷工況下，通過rigid單元約束輪輻的各個螺栓孔；壓強載荷和徑向載荷施加到輪輞表面相應位置建立的2D單元上，考慮到氣嘴孔處結(jié)構(gòu)剛度較差，使徑向載荷對稱分布在氣嘴孔的兩側(cè)，以考察它的強度。

圖2　有限元模型

兩種工況下的有限元模型分布如圖2所示。

3　計算結(jié)果

輪輞在兩種工況下的分析結(jié)果如圖3所示，由于兩種工況中螺栓孔處使用rigid單元連結(jié)，剛度過大，導致應力過大，在分析結(jié)果評價中不考慮螺栓孔附近的應力。

圖3　兩種工況下的分析結(jié)果

彎曲載荷工況下，輪輞應力較大點出現(xiàn)在輪輻折彎處內(nèi)側(cè)，大小為204.6 MPa，輪輞體上的應力較小，輪輞總成的強度滿足要求。

徑向載荷工況下，由于應力集中的緣故，氣嘴孔的圓角端是該充氣胎輪輞的一個強度薄弱位置，輪輞的其他位置應力較小。輪輞體應力較大點出現(xiàn)在氣嘴孔的圓角端，大小為253 MPa，小于材料的屈服強度，同時該應力為壓應力，其方向基本沿所在圓柱面的切線方向，發(fā)生破壞的可能性較小。綜合考慮，徑向載荷工況下輪輞總成的強度滿足要求。

4　結(jié)論

利用有限元軟件HyperWorks對某型叉車驅(qū)動輪輪輞的彎曲載荷工況和徑向載荷工況進行靜力學仿真，得到輪輞的應力分布情況和較大應力值，校核了輪輞的強度，為設計人員提供設計依據(jù)，使設計的可靠性和效率得到提高。

[1]全國汽車標準化技術(shù)委員會. 載貨汽車車輪性能要求和試驗方法:GB/T 5909-1995[S]. 北京：中國標準出版社, 2009.

[2]李碧春. 提高12LW鋼材質(zhì)量試驗研究[J]. 重鋼技術(shù), 2004,47(1):16-18.

[3]Stearns J, Srivatsan T S, Prakash A, et al. Modeling the mechanical response of an aluminum alloy automotive rim[J].Materials Science and Engineering A, 2004, 366(2): 262-268.

[4]韋東來, 崔振山. 鋁合金車輪徑向疲勞試驗的數(shù)值仿真[J]. 機械強度, 2008,30(6):998-1002.

[5]顏偉澤,郝艷華，黃致建， 等. 車輪徑向疲勞試驗有限元仿真及疲勞壽命估算[J]. 機械設計與制造, 2011(6)：27-29.

[6]王海霞, 劉獻棟, 單穎春, 等. 考慮材料非線性和輻輞過盈裝配的車輪徑向疲勞特性研究[J]. 汽車工程, 2013,35(9):822-826.

Strength analysis of a forklift wheel rim based on HyperWorks

SHEN Hui, HU Chunyang, ZHANG Yan

In this study, we established the finite element model of a forklift wheel rim under bending load and radial load. Then we carried out static analysis and checked the strength of the wheel rim, so as to provide reference for designers.

finite element，HyperWorks，wheel rim，strength

TH114；TH122

A

1002-6886(2016)04-0046-03

沈輝(1978-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，從事企業(yè)信息化規(guī)劃、ERP/PLM/CAE/BPM /HCM 應用與研究工作。

2015-12-23