基于轮毂试验标准的专用分析程序开发
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作者：褚廷杰 上海安世亚太结构应用工程师
本文共计1712字，阅读时间预计6分钟
编者按
作者分析了利用ACT基于以上轮毂试验标准进行开发和封装轮毂标准试验常用的三种工况；并将弯曲疲劳工况具体展开演示。
轮毂试验标准专用分析程序
轮毂设计时需要遵循国内相关试验标准，以汽车轮毂为例，在国标《GB/T 26036-2020 汽车轮毂用路和金模锻件》中，详细规定了汽车轮毂用铝合金模锻件的要求、试验方法、检验规则及标志等内容。
26036标准中要求了汽车轮毂的动态弯曲疲劳试验、动态径向疲劳试验应符合GB/T 5334（乘用车）及GB/T 5909（商用车）的规定。冲击试验应符合GB/T 15704的规定。
针对以上疲劳试验、冲击试验要求，可利用CAE仿真技术进行虚拟样机快速校核，大大提高现场试验通过率，降低试验成本。再进一步基于ANSYS ACT二次开发，可实现对CAE仿真技术和方法的进一步封装，提高仿真效率。
本专用分析程序利用ACT基于以上轮毂试验标准进行开发，封装了轮毂标准试验常用的三种工况：
13°冲击试验；
弯曲疲劳试验；
径向疲劳试验。
基于此专用程序可以快速校核标准工况下的轮毂设计方案。该专用分析程序的主要特色：
专用的分析模板，降低了轮毂结构分析的难度，提高了效率；
依据26036标准，集成了3种轮毂测试工况，可进行相关虚拟试验；
计算报告一键生成；
下文将以弯曲疲劳工况为例展示本程序。
ACT程序介绍
ANSYS ACT程序由IronPython、XML、HTML组成，其中XML及HTML文档的定义，用于设计ACT程序的页面布局，Python脚本的定义，用于ACT程序调用Workbench平台各个模块及对应后台功能的实现。
ANSYS ACT程序可在Workbench平台中启动，ACT运行时会自动调用Workbench各模块实现相关的仿真分析。
图 1 ACT程序组成
弯曲疲劳试验描述
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试验描述
弯曲疲劳试验台应有一个被驱动的旋转装置，车轮可在固定不动的弯矩下旋转，或者车轮固定不动，而承受一个旋转的弯矩。
图 2 试验方式1-车轮在弯矩载荷作用下旋转
图 3 试验方式2-车轮固定施加弯矩载荷
基于虚拟样机的CAE仿真，宜采用试验方法2进行仿真验证，可将轮毂内轮缘位置进行固定约束，安装面位置的螺孔及螺栓螺帽接触面拾取添加弯矩载荷。
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弯矩计算
弯矩M的计算公式如下，单位为牛顿 · 米（N·m）：
M= (μR+d) FvS
上式中：
μ —— 轮胎与路面间的设定摩擦系数
R —— 轮胎静负荷半径，是汽车制造厂或车轮厂规定的用在该车轮上的最大轮胎静半径，单位为米（m）
d —— 车轮内偏距或外偏距（内偏距为正值，外偏距为负值），单位为米（m）
Fv —— 车轮或汽车制造厂规定的车轮上的最大垂直静负荷或车轮的额定负荷，单位为牛顿（N）
S —— 强化试验系数
ACT程序开发时，可将上式弯矩计算公式编入程序，用户在使用ACT时只需输入部分设计参数，如R、d、Fv等产品参数，μ及S则可通过ACT提供的参考数据表进行拾取或程序自动填写。
轮毂标准试验ACT程序展示
程序集成的分析流程为：创建项目、材料设置、网格划分、载荷及边界设置、疲劳分析设置、强度校核、疲劳校核、报告生成。
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创建项目
输入参数为项目名称、工作路径、工况选择、分析模型。
工况选择可选：13°冲击工况、弯曲疲劳工况、径向疲劳工况。
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快速设置材料数据
基于开发的材料数据库，快速选择本次项目中选用的材料，系统自动将相关材料数据传递给计算程序。
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网格划分
在界面中填写网格划分尺寸即可自动创建网格模型，为了保证计算精度，程序将默认采用二阶单元。
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载荷及边界条件设置
轮毂弯曲疲劳工况的载荷为安装面所施加的弯矩载荷，边界应约束轮毂内轮缘。用户输入轮毂产品的相关设计参数、试验要求的强化系数等内容，程序将自动计算弯矩值。关于弯矩值的计算公式详见前文所述。
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疲劳分析设置
此ACT程序提供了基于应力疲劳、应变疲劳的轮毂疲劳分析，程序自动给出常用疲劳设置的参数选择，用户可在界面中进行参数更改。
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强度校核
在静力学计算完成后，程序将自动提取位移、应力、应变等数据，并基于材料强度属性可进行强度安全裕度校核。
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疲劳校核
在疲劳分析完成后，程序将自动提取疲劳寿命、安全系数、损伤等结果。并对设计寿命和计算寿命进行对比分析。
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报告生成
在轮毂弯曲疲劳分析、校核完成后，程序将自动更新word版报告，并汇总此次仿真分析的所有输入参数、输出参数、数据曲线图、结果云图等。经过定制化的word报告模板开发，可实现企业交付所需的标准化报告自动生成。
总结及展望
本文给出了一种基于轮毂试验标准的专用程序应用场景，覆盖轮毂分析的三种常用工况，并集成标准试验所需的计算组件、材料数据库组件、报告模板组件等配套解决方案。在轮毂设计过程中，基于ACT程序的流程及标准封装可以更进一步改善轮毂CAE分析的效率和可靠性。
借助ACT工具，可以在软件现有功能的基础上，封装客户自己的仿真流程、知识、经验、规范，形成统一的应用环境，实现仿真过程及仿真应用的规范化，专业化，自动化。
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