Numerical study of aluminum wheels subjected to biaxial fatigue test

The aim of this thesis is to achieve a successful fatigue-life analysis of aluminum alloy wheels through a virtual simulation. This is performed to avoid long-lasting and energy-consuming experimental campaigns on wheels. The biaxial fatigue test of the wheel has been simulated by means of numerical methods. Due to the huge complexity of the tire-wheel system, several attempts to simplify its behavior have been performed. In this document two approximations that, numerically, are close to the theoretical tire behavior according to previous researches [4] have been used. The first approximation achieves a reasonable simplification. A simplified FE model of the tire is implemented. The tire is fixed to the ground at the tire/rim interface and reaction forces are computed during the fatigue test. The computed forces at the tire/rim interface are then applied to the FE model of the wheel only. This method is still complex as it requires an accurate definition of the tire properties. Nevertheless, it is much more convenient than complex FEM models where tire and wheel are considered together. On the other side, there is a truly simplified model in which the tire is no longer analyzed. The forces acting on the wheel are supposed to behave as cosine and hyperbolic functions. These forces are applied over a wheel arc which represents the tire-road contact surface due to the deformation of the tire. Its length will depend on both the stiffness of the tire and the mean value of the forces applied during the fatigue test. In this case the tire stiffness is formulated through a generalized empirical formula [11]. This method is easy to implement and fast to compute. The results of the fatigue life simulation obtained from seven different wheels by means of the two methods are analyzed to determine their accuracy. One of the seven wheels has been deeper analyzed, as the experimental fatigue test of this wheel was performed.

L’obiettivo di questa tesi è quello di realizzare un’analisi vita a fatica dei cerchi in lega di alluminio, mediante una simulazione virtuale, al fine di evitare campagne sperimentali sui cerchi che potrebbero risultare lunghe e costose. A causa dell’estrema complessità delle reazioni del sistema cerchio-pneumatico, sono stati effettuati molteplici tentativi per semplificare il comportamento del sistema in oggetto. In questo documento sono state applicate due approssimazioni che, numericamente, sono molto simili al comportamento teorico del pneumatico, secondo quanto stabilito da altre ricerche [4]. La prima approssimazione rappresenta una semplificazione ragionevole, che parte dal calcolo delle forze risultanti sul tallone del pneumatico durante le prove di fatica. Queste stesse forze vengono poi applicate sulla sede del tallone. Ancorché semplificato, questo metodo risulta complesso, poiché richiede una definizione accurata di tutte le proprietà del pneumatico. Ciononostante, questo metodo risulta molto più conveniente dei modeli FEM, in cui pneumatico e cerchio sono considerati insieme. Nella seconda approssimazione, il pneumatico non è neppure analizzato e si suppone che le forze agenti sul cerchio si comportino come funzioni coseniche ed iperboliche. Tali forze sono applicate su una porzione del cerchio che rappresenta la superficie di contatto pneumatico-strada, per via della deformazione del pneumatico stesso. La lunghezza di questa porzione dipende sia dalla rigidezza del pneumatico, che dal valore medio delle forze applicate durante i test di fatica. In questo caso, la rigidezza del pneumatico viene stabilita mediante una formula empirica generalizzata [11]. Questo metodo è semplice da implementare e veloce da applicare. I risultati delle simulazioni della vita a fatica ottenute da sette diversi cerchi, mediante entrambi i metodi, sono state analizzate per determinare l’accuratezza delle due approssimazioni. Uno dei sette cerchi è stato analizzato in maniera più approfondita, grazie alla realizzazione del modello CAD del pneumatico omologato per quel cerchio. Inoltre, è stato eseguito sperimentalmente il test di fatica del cerchio in questione.