液壓成形S500MC高強(qiáng)鋼汽車輪輞疲勞性能的有限元模擬

岳峰麗，任世杰，徐 勇，陳維晉，張士宏，鄒立春，邵云凱

(1.沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159；2.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽110016；3.長春一汽富維汽車零部件股份有限公司車輪分公司，長春 130052)

0 引 言

汽車輕量化設(shè)計(jì)是降低油耗的重要技術(shù)手段。研究表明，車輛質(zhì)量每減輕10%，油耗量可減少6%～8%[1]。輕量化的主要途徑包括材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化以及輕量化成形技術(shù)等[2-4]。但是目前輕量化的對象還集中在汽車底盤及以上零件，如車身、底盤、排氣系統(tǒng)等部件，而有關(guān)底盤以下零件，特別是承擔(dān)整個汽車轉(zhuǎn)動慣量的車輪，尤其是鋼制車輪的輕量化技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用較少，這限制了整車的輕量化發(fā)展進(jìn)程。汽車鋼制車輪由輪輞和輪輻兩部分組成，其中輪輞作為主要的承力關(guān)鍵部件，目前普遍采用由板材卷焊、多道次滾壓以及擴(kuò)張精整成形等工序組成的滾壓成形工藝制成；該工藝工序復(fù)雜、效率低、成本高，并且無法成形結(jié)構(gòu)外形較為復(fù)雜的輪輞零件，難以滿足汽車進(jìn)一步輕量化的需求。因此，汽車鋼制輪輞高效低成本的輕量化制造技術(shù)是當(dāng)前汽車制造業(yè)亟待解決的一個關(guān)鍵難題。相比滾壓成形工藝，液壓成形工藝具有柔性成形、尺寸精度高、加工硬化程度低等優(yōu)點(diǎn)，可有效降低輪輞的應(yīng)力集中和性能惡化程度。采用更高強(qiáng)度級別的鋼材代替原有中低強(qiáng)度級別的鋼材，并結(jié)合液壓成形新技術(shù)制造鋼制輪輞，可以最大程度地實(shí)現(xiàn)輪輞的輕量化，并且其加工工序簡單，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低。采用液壓成形工藝制造的新型高強(qiáng)鋼汽車輪輞壁厚分布不均勻，局部位置出現(xiàn)減薄現(xiàn)象，這進(jìn)一步提高了輪輞的輕量化程度。液壓成形工藝在成形輪輞時(shí)受力狀態(tài)、材料利用率以及產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益，有助于加速實(shí)現(xiàn)整車輕量化。

在汽車行駛過程中車輪受到的載荷為隨機(jī)載荷，因此車輪的疲勞性能是汽車車輪研制過程中最關(guān)心的問題。車輪的疲勞性能主要包括彎曲疲勞性能和徑向疲勞性能，目前有關(guān)這兩種疲勞性能的研究報(bào)道較多。鄢奉林等[5]采用Ansys/FE-SAFE分析軟件，通過建立多軸臨界面疲勞損傷模型預(yù)測了車輪的彎曲疲勞壽命。汪謨清等[6]采用有限元方法對卡車車輪的徑向疲勞和彎曲疲勞壽命進(jìn)行分析。郝琪等[7]通過靜態(tài)分析方法對載貨汽車鋼制車輪的疲勞性能進(jìn)行分析。但是，有關(guān)輪輞壁厚變化對車輪疲勞性能影響的報(bào)道較少。韋遼等[8]研究發(fā)現(xiàn)，輪輞壁厚在6 mm的基礎(chǔ)上減少1 mm后，其壽命仍可達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。在液壓成形過程中軸向補(bǔ)料量有限，導(dǎo)致液壓成形后的輪輞局部壁厚減薄[9]，因此研究液壓成形新型高強(qiáng)鋼輪輞的疲勞性能是十分必要的。作者以壁厚為2.0 mm的S500MC微合金高強(qiáng)鋼板為原料，采用液壓成形工藝制造了汽車輪輞，分析了成形后輪輞壁厚減薄情況，通過有限元方法研究了該輪輞的疲勞性能，并與常規(guī)滾壓成形2.3 mm均勻壁厚SPFH540中強(qiáng)度低合金鋼輪輞和滾壓成形2.0 mm均勻壁厚S500MC微合金高強(qiáng)鋼輪輞的疲勞性能進(jìn)行了對比。

1 試樣材料

采用1 500 t液壓機(jī)將內(nèi)徑為334 mm，高為295 mm，厚度為2.0 mm的S500MC微合金高強(qiáng)鋼圓筒管坯，通過液壓成形工藝得到直徑355.6 mm、高度151 mm的汽車輪輞；該輪輞的整體結(jié)構(gòu)和截面結(jié)構(gòu)如圖1所示，截面壁厚分布曲線如圖2所示。由圖2可以看出，該液壓成形輪輞壁厚的最大減薄率為10.9%。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，該輪輞的實(shí)際減重率達(dá)13.05%。對比試樣為采用常規(guī)滾壓成形工藝制備的2.3 mm均勻壁厚SPFH540中強(qiáng)度低合金鋼輪輞。輪輻以及其他零件材料均采用SPFH590鋼。

圖1 液壓成形S500MC高強(qiáng)鋼汽車輪輞的整體結(jié)構(gòu)和截面結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure (a) and section structure (b) ofhydroformed S500MC high strength steel automobile rim

圖2 液壓成形S500MC高強(qiáng)鋼汽車輪輞的截面壁厚分布曲線Fig.2 Section wall thickness distribution curve of hydroformedS500MC high strength steel automobile rim

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

使用CATIA軟件建立汽車車輪彎曲疲勞和徑向疲勞模型，如圖3所示，使用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析，采用四面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為增加模擬結(jié)果對比的準(zhǔn)確性，增加滾壓成形2.0 mm均勻壁厚S500MC微合金高強(qiáng)鋼輪輞疲勞性能研究。不同材料性能參數(shù)如表1所示。

圖3 車輪彎曲疲勞和徑向疲勞模型Fig.3 Models of wheel bending fatigue (a) and radial fatigue (b)

表1 不同材料的性能參數(shù)

彎曲工況下的邊界條件：固定輪輞受約束側(cè)與內(nèi)外墊圈相接觸表面的所有節(jié)點(diǎn)；對輪輞和輪輻間接觸面、加載軸和連接盤接觸面均施加綁定約束；輪輻和連接盤接觸面、輪輻和螺栓接觸面、連接盤和螺栓接觸面的接觸類型均設(shè)置為面面接觸，摩擦因數(shù)均設(shè)為0.2。采用靜態(tài)加載方式，扭矩為1 510 N·m，螺栓預(yù)緊軸力為35 000 N。

徑向工況下的邊界條件：對輪輞和輪輻間接觸面施加綁定約束；約束車輪安裝盤面和螺栓孔面在x,y,z3個方向的自由度。根據(jù)GB/T 5334-2005，在車輪的胎圈座上加載余弦分布的旋轉(zhuǎn)面壓，同時(shí)在輪輞受壓面上加載車輪胎壓；在車輪中心(-36°36°范圍)，用局部坐標(biāo)系加載徑向余弦面壓，加載區(qū)域?yàn)檩嗇y胎圈座，旋轉(zhuǎn)外載荷作用區(qū)域模擬轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動，胎壓均勻分布在輪輞上。轉(zhuǎn)鼓作用于車輪的徑向載荷以及徑向分布載荷最大值的計(jì)算公式[10]分別為

(1)

(2)

式中：F為車輪所受到的徑向載荷，為10 800 N；Wr為轉(zhuǎn)鼓作用于車輪的徑向載荷；W0為徑向分布載荷的最大值；b為胎圈座有效受力寬度，取15 mm；rb為胎圈座半徑，取160 mm;θ為徑向載荷作用范圍內(nèi)的任意角度；θ0為徑向載荷作用范圍，取π/5。

通過計(jì)算可得W0為2.81 MPa，Wr為 0.46 MPa。將上述載荷以及35 000 N螺栓預(yù)緊軸力加載到模型中[11]，然后進(jìn)行徑向工況下的有限元模擬。

2.2 有限元模擬結(jié)果

2.2.1 彎曲工況

汽車車輪的幾何形狀和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，適合使用Von Mises平均應(yīng)力對其應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行評估[12-13]。由圖4可以看出：液壓成形S550MC高強(qiáng)鋼輪輞車輪的最大彎曲應(yīng)力為518 MPa，比滾壓成形均勻壁厚SPFH540和S500MC輪輞車輪的最大應(yīng)力分別增加了10 MPa和1 MPa，均低于S500MC鋼的屈服強(qiáng)度(565 MPa)，說明車輪在彎曲工況下不會發(fā)生變形，滿足靜載要求；最大應(yīng)力均位于輪輻上的螺栓孔附近。以往研究[14-15]表明，輪輻螺栓孔是車輪的主要薄弱位置，由此可判斷本次有限元分析結(jié)果可靠。

圖4 含輪輻與輪輞的車輪在彎曲工況下的應(yīng)力分布云圖Fig.4 Stress contour of wheel containing spoke and rim under bending condition: (a) wheel with hydroformed S550MC steel rim;(b) wheel with rolling formed S500MC steel rim and (c) wheel with rolling formed SPFH540 steel rim

對液壓成形S500MC鋼輪輞在彎曲工況下的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，液壓成形S500MC鋼輪輞的最大彎曲應(yīng)力為48 MPa，遠(yuǎn)小于其車輪的最大彎曲應(yīng)力。將液壓成形S500MC鋼輪輞、滾壓成形2.0 mm均勻壁厚S500MC鋼輪輞和滾壓成形2.3 mm均勻壁厚SPFH540鋼輪輞在同一位置截面(圖5中位置1處與xoz平面z軸正向相交截面)的應(yīng)力進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，液壓成形S500MC鋼輪輞的應(yīng)力分布趨勢與滾壓成形2.0 mm和2.3 mm均勻壁厚輪輞的應(yīng)力分布趨勢基本一致，說明液壓成形輪輞局部位置減薄不會使其所受應(yīng)力發(fā)生變化，亦即輪輞不會在減薄位置發(fā)生疲勞失效，符合輪輞的安全性能要求。

圖5 液壓成形S500MC鋼輪輞在彎曲工況下的應(yīng)力分布云圖Fig.5 Stress contour of hydroformed S500MC steel rim underbending condition

圖6 在彎曲工況下不同輪輞相同截面位置處的應(yīng)力對比Fig.6 Comparison of stress at the same section position ofdifferent rims under bending condition

由圖7可以看出，液壓成形S500MC鋼輪輞的最大應(yīng)變?yōu)?.7×10-4，遠(yuǎn)小于S500MC鋼的屈服應(yīng)變(0.01)[16]，這進(jìn)一步表明液壓成形S500MC鋼輪輞滿足彎曲疲勞性能的要求。

圖7 液壓成形S500MC鋼輪輞彎曲工況下的應(yīng)變分布云圖Fig.7 Strain contour of hydroformed S500MC steelrim under bending condition

2.2.2 徑向工況

由圖8可以看出，液壓成形S500MC鋼輪輞車輪的最大徑向疲勞應(yīng)力為541 MPa，雖比滾壓成形SPFH540鋼和S500MC鋼輪輞車輪的最大徑向疲勞應(yīng)力分別增大了79 MPa和130 MPa，但仍小于S500MC鋼的屈服強(qiáng)度，說明該車輪在徑向工況下疲勞后不會變形，滿足徑向疲勞性能靜載要求。

圖8 含輪輻與輪輞的車輪在徑向工況下的應(yīng)力分布云圖Fig.8 Stress contour of wheel containing spoke and rim under radial condition: (a) wheel with hydroformed S500MC steel rim;(b) wheel with rolling formed S500MC steel rim and (c) wheel with rolling formed SPFH540 steel rim

由圖9可以看出，液壓成形S500MC鋼輪輞的最大徑向應(yīng)力為142 MPa，遠(yuǎn)小于車輪的最大徑向應(yīng)力(541 MPa)。將液壓成形S500MC鋼輪輞、滾壓成形2.0 mm均勻壁厚S500MC鋼輪輞和滾壓成形2.3 mm均勻壁厚SPFH540鋼輪輞在同一位置截面(圖9中位置2處與xoz平面z軸正向相交截面)的應(yīng)力進(jìn)行對比，結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出，液壓成形S500MC鋼輪輞的徑向疲勞應(yīng)力分布與滾壓成形均勻壁厚輪輞的徑向疲勞應(yīng)力分布趨勢基本一致，說明液壓成形S500MC鋼輪輞局部位置減薄不會使其所受徑向疲勞應(yīng)力發(fā)生明顯變化，亦即輪輞不會在減薄位置發(fā)生疲勞失效，符合輪輞的安全性能要求。

圖9 液壓成形S500MC鋼輪輞在徑向工況下的應(yīng)力分布云圖Fig.9 Stress contour of hydroformed S500MC steel rim underradial condition

圖10 在徑向工況下不同輪輞相同截面位置處的應(yīng)力對比Fig.10 Comparison of stress at the same section position ofdifferent rims under radial condition

由圖11可以看出，液壓成形S500MC鋼輪輞的最大應(yīng)變?yōu)?.8×10-4，遠(yuǎn)小于S500MC鋼的屈服應(yīng)變，因此液壓成形S500MC鋼輪輞滿足徑向疲勞性能的要求。

圖11 液壓成形S500MC鋼輪輞在徑向工況下的應(yīng)變分布云圖Fig.11 Strain contour of hydroformed S500MCsteel rim under radial condition

3 疲勞性能

3.1 彎曲疲勞

在ABAQUS有限元分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，使用FE-SAFE疲勞分析軟件估算車輪的疲勞壽命，疲勞壽命模型為基于斷裂模型及裂紋萌生機(jī)理的臨界平面模型[17]。含輪輻與輪輞車輪的彎曲疲勞性能安全系數(shù)模擬結(jié)果如圖12所示。疲勞性能安全系數(shù)為實(shí)際疲勞循環(huán)次數(shù)與許用疲勞循環(huán)次數(shù)之比。車輪不同位置的彎曲疲勞性能安全系數(shù)如表2所示。由表2可以看出，液壓成形S500MC鋼輪輞車輪的安全系數(shù)與滾壓成形2.0 mm均勻壁厚S500MC鋼輪輞車輪和滾壓成形2.3 mm均勻壁厚SPFH540鋼輪輞車輪的彎曲疲勞性能安全系數(shù)變化趨勢相同，并且3種車輪的彎曲疲勞性能安全系數(shù)均大于1，說明彎曲疲勞性能均滿足要求。

圖12 含輪輻與輪輞車輪的彎曲疲勞性能安全系數(shù)模擬結(jié)果Fig.12 Bending fatigue property safety factor simulation of wheel containing spoke and rim: (a) wheel with hydroformedS500MC steel rim; (b) wheel with rolling formed S500MC steel rim and (c) wheel with rolling formed SPFH540 steel rim

表2 含輪輻與輪輞車輪不同位置的(如圖12所示)彎曲疲勞性能安全系數(shù)Table 2 Bending fatigue performance safety factor at differentpositions (shown in Fig.12) of wheel containing spoke and rim

3.2 徑向疲勞性能

含輪輻與輪輞整體車輪的彎曲疲勞性能安全系數(shù)模擬結(jié)果如圖13所示。車輪不同位置的徑向彎曲疲勞性能安全系數(shù)如表3所示。由表3可以看出，液壓成形S500MC鋼輪輞車輪的徑向疲勞安全系數(shù)與滾壓成形2.0 mm均勻壁厚S500MC鋼輪輞車輪和滾壓成形2.3 mm均勻壁厚SPFH540鋼輪輞車輪的徑向疲勞安全系數(shù)變化趨勢相同，并且3種車輪的徑向疲勞性能安全系數(shù)均大于1，說明徑向疲勞性能均滿足要求。

圖13 含輪輻與輪輞車輪的徑向疲勞性能安全系數(shù)成形模擬結(jié)果Fig.13 Radial fatigue property safely factor simulation of wheel containing spoke and rim: (a) wheel with hydroformedS500MC steel rim; (b) wheel with rolling formed S500MC steel rim and (c) wheel with rolling formed SPFH540 steel rim

表3 含輪輻與輪輞車輪不同位置(如圖13所示)的徑向疲勞性能安全系數(shù)Table 3 Radial fatigue property safety factor at differentpositions (shown in Fig.13) of wheel containing spoke and rim

4 結(jié) 論

(1) 液壓成形S500MC高強(qiáng)鋼輪輞壁厚的最大減薄率為10.9%；液壓成形S500MC鋼輪輞車輪最大應(yīng)力位于輪輻上的螺栓孔附近，該車輪的最大彎曲應(yīng)力和徑向應(yīng)力均比滾壓成形2.3 mm均勻壁厚SPFH540中強(qiáng)度鋼輪輞和滾壓成形2.0 mm均勻壁厚S500MC高強(qiáng)鋼輪輞車輪的最大應(yīng)力大，但仍低于S500MC鋼的屈服強(qiáng)度，說明車輪在疲勞后不會變形。

(2) 液壓成形S500MC高強(qiáng)鋼輪輞的截面彎曲應(yīng)力和徑向應(yīng)力變化趨勢與滾壓成形2.3 mm和2.0 mm均勻壁厚輪輞截面的彎曲應(yīng)力和徑向應(yīng)力變化趨勢一致，說明液壓成形輪輞壁厚的局部減薄不會使輪輞所受應(yīng)力發(fā)生明顯變化；液壓成形S500MC鋼輪輞的最大彎曲應(yīng)力和最大徑向應(yīng)力分別為48，142 MPa，均低于S500MC鋼的屈服強(qiáng)度(565 MPa),最大彎曲應(yīng)變和最大徑向應(yīng)變分別為2.7×10-4，6.8×10-4，遠(yuǎn)小于S500MC鋼的屈服應(yīng)變(0.01)，且疲勞性能安全系數(shù)均大于1，表明壁厚局部減薄不會影響輪輞的彎曲和徑向疲勞性能。