Finite element simulations of impact test for light alloy wheels

Abstract

Static and dynamic finite element models for the simulation of the wheel impact test defined in ISO7141 were developed for the AlSi7Mg and AlSi11Mg alloy wheels. The dynamic model consists of the striker, the wheel with radial pneumatic tire, and the hub adapter structure. Two types of tire models, composite and simplified, are formed in this study. The finite element model in the dynamic model, referred to as composite tire, involves bead, bead core, casing and crown plies, tread, and side walls. A simplified tire model that does not include bead cores, casing and crown plies is also generated. Although these items are not used in the second model directly, they are considered using their equivalent effects. It is shown that a simplified tire model can be used instead of the composite tire model. The dynamic model is validated by experimental studies. Such studies are related to the plastic deformations at the impact point of the wheel. It is shown that simulation of the failure of the wheel during impact tests can be determined using von Mises and effective plastic strain occurs in the wheel. In total, forty-one experiments are done to see the wheel behaviors and whether it performes according to the standard. The experimental results and the corresponding simulations focusing on von Mises stresses along with effective strains are shown in box plots. Thus, critical values for design are found. The static model consists of the wheel with simplified tire and the lumped model of the hub adapter structure. The stiffness characteristic of the impact point of the wheel is determined by using the static model. It is shown that the maximum von Mises stress that occurs in the wheel due to impact load is found using energy conversions. Significant time can be saved by this manner.

Bu tezde, AlSi11Mg ve AlSi7Mg alaşımlı jantlar için ISO 7141 de tanımlanan darbe testi benzetiminin statik ve dinamik sonlu elemanlar modeli elde edilmiştir. Dinamik sonlu elemanlar modeli; vurucu, radyal lastikli jant ve darbe tezgâhından oluşmuştur. Tezde, kompozit ve basitleştirilmiş lastik olarak iki tip lastik oluşturulmuştur. Kompozit lastik olarak isimlendirilen dinamik modeldeki lastiğin sonlu elemanlar modeli topuk, topuk çemberi, sentetik ve çelik kuşak, sırt ve yan duvarlardan oluşur. Ayrıca, topuk çemberi, sentetik ve çelik kuşağı kullanmayan basitleştirilmiş lastik modeli oluşturulmuştur. Ancak, ikinci modelde doğrudan kullanılmadığı belirtilen unsurların eşdeğer etkileri göz önüne alınmıştır. Basitleştirilmiş lastik modelinin kompozit lastik yerine kullanılabilirliği gösterilmiştir. Dinamik model deneysel çalışmalarla doğrulanmıştır. Deneysel çalışmalar jantın darbe noktasında meydana gelen kalıcı şekil değişimleri ile ilgilidir. Jantın darbe testinden geçişinin benzetiminde, jantta meydana gelen von Mises ve efektif plastik birim şekil değiştirmelerin kullanılabileceği gösterilmiştir. Bunlardan başka, standarda göre jantların testi geçip geçemeyeceğini görmek için toplam kırk bir deney yapılmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar ve bu sonuçların her birine karşılık yapılan maksimum von Mises gerilimleri ve birim şekil yer değiştirmelere odaklanmış benzetimlerin değerleri kutu grafikleri ile gösterilmiştir. Böylece tasarım için kritik değerler bulunmuştur. Statik sonlu elemanlar modeli, basitleştirilmiş lastik modeli, jant ve topaklanmış test tezgâhından ibarettir. Jantın darbe noktasının yay karakteristiği statik modelle elde edilmiştir. Darbe yükünden dolayı jantta meydana gelen von Mises gerilimlerinin enerji dönüşümü ile bulunacağı gösterilmiştir. Böylece önemli bir zaman tasarrufu sağlanabilir.