重載車低壓鑄造鋁合金輪轂彎曲疲勞試驗仿真方法研究

邊雷雷，岳峰麗

(沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

重載車低壓鑄造鋁合金輪轂彎曲疲勞試驗仿真方法研究

邊雷雷，岳峰麗

(沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

利用有限元分析方法，建立重載車低壓鑄造鋁合金輪轂、試驗加載軸、螺栓連接件的有限元模型，施加合理的邊界條件進行彎曲疲勞試驗?zāi)M研究。通過設(shè)置接觸對以及相關(guān)參數(shù)，對輪轂按照臺架試驗要求進行周向加載，得出輪轂在循環(huán)中的高應(yīng)力區(qū)域。運用疲勞壽命中的名義應(yīng)力法以及FE-SAFE軟件估算輪轂疲勞壽命。結(jié)果表明：輪轂通風(fēng)口之間對數(shù)壽命相對較低，但滿足國標規(guī)定最低循環(huán)次數(shù)。

彎曲疲勞試驗；低壓鑄造輪轂；有限元分析；疲勞壽命

隨著低壓鑄造鋁合金輪轂在汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用，鋁合金輪轂的疲勞性能越來越受到重視，鐘翠霞等人[1]運用名義應(yīng)力法預(yù)測輪轂彎曲疲勞壽命，預(yù)測結(jié)果與試驗壽命基本一致，驗證了預(yù)測方法的可行性和有效性。王健行等人[2]運用有限元接觸分析方法和名義應(yīng)力法對對大尺寸鋼制輪轂進行彎曲疲勞壽命預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致。文獻[3]運用有限元方法并考慮預(yù)緊力對疲勞壽命的影響，對低壓鑄造鋁合金輪轂進行疲勞壽命分析，結(jié)果表明，預(yù)緊力對輪轂疲勞壽命的影響不能忽略。目前研究大都集中在轎車用小尺寸鋁合金輪轂疲勞壽命分析，重載車用低壓鑄造鋁合金輪轂疲勞壽命分析報道較少。重載車用鋁合金輪轂大都采用鍛造和壓力鑄造，成本相對較高。低壓鑄造作為比較成熟的成型方式，成本低，且鋁合金輪轂在重載車上使用，可提高整車安全性。但低壓鑄造大尺寸鋁合金輪轂在重載車上使用狀況分析，相關(guān)報道較少。本文針對某款重載車用低壓鑄造鋁合金輪轂進行彎曲疲勞壽命研究。

1 輪轂彎曲疲勞試驗

1.1 鋁合金輪轂彎曲疲勞試驗

目前，常用的輪轂彎曲疲勞試驗方法是將輪轂固定在試驗臺上，然后由電機帶動偏心塊進行旋轉(zhuǎn)加載或采用在加載軸軸端施加恒定力進行加載，通過旋轉(zhuǎn)在輪轂輪心部位形成旋轉(zhuǎn)彎矩，統(tǒng)計輪轂發(fā)生疲勞破壞時的循環(huán)次數(shù)來獲得壽命。本文采用將輪轂固定并在加載軸端施加恒定力的方法進行模擬。

1.2 計算車輪試驗彎曲載荷和螺栓預(yù)緊力

按照國標GB/T5909-1995[4]規(guī)定，載重汽車輪轂彎曲試驗載荷彎矩M(力×力臂)由式(1)確定。

M=W×(R×μ+d)×S

(1)

式中：M為試驗彎矩，N·m；W為車輪上的最大垂直靜負荷或車輪額定負荷(由車輪或汽車制造廠規(guī)定)，N；R為最大裝胎半徑，即靜載荷半徑，可由當(dāng)前輪胎和輪輞協(xié)會的年度手冊或汽車輪轂制造商規(guī)定，m；μ為輪胎和地面的摩擦系數(shù)，通常取0.7；d為輪轂偏矩絕對值，m；S為安全系數(shù)。

試驗輪轂采用10個雙頭螺柱固定在試驗臺上，螺母規(guī)格為M30×1.5，試驗螺栓擰緊力矩670N·m，通過查找機械設(shè)計手冊[5]中關(guān)于螺栓預(yù)緊力的計算方法，計算得出試驗所需螺栓預(yù)緊力。相關(guān)數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 試驗彎矩計算結(jié)果

表2 螺栓預(yù)緊力計算結(jié)果

2 鋁合金輪轂彎曲疲勞試驗仿真分析

根據(jù)某輪轂制造廠相關(guān)要求，對其生產(chǎn)的鋁合金輪轂進行彎曲疲勞試驗仿真分析研究，以達到降低實際試驗成本并縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的目的。

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

使用三維建模軟件UG建立輪轂三維實體模型，并導(dǎo)出實體格式(.x_t)，將輪轂實體導(dǎo)入通用有限元分析軟件進行有限元分析的前處理，包括單元類型定義、選擇材料模型、網(wǎng)格劃分等。由于網(wǎng)格的疏密和精度直接影響到計算結(jié)果的準確性，因此對輪轂、螺栓、加載軸采用實體單元來劃分，同時為保證計算精度，實例采用十節(jié)點四面體Solid187單元，使用Smart網(wǎng)格生成工具對模型進行疏密度控制，生成的有限元模型節(jié)點數(shù)為57600，單元數(shù)為22387。生成的單元模型如圖1所示。

圖1 鋁合金輪轂彎曲疲勞試驗有限元模型

2.2 施加約束條件

為使模擬結(jié)果更接近實際，模型的約束效果應(yīng)與實際工況相符合，因此采用將輪轂內(nèi)輪緣面進行固定約束，并且定義螺栓與輪轂上面、輪轂下面與加載軸法蘭盤上面、螺栓與加載軸法蘭盤下面三個接觸對，定義摩擦系數(shù)為0.15。邊界條件設(shè)置流程如圖2所示。

圖2 邊界條件設(shè)置流程圖

首先在10個預(yù)緊螺栓上施加預(yù)緊力，并在以后的加載過程中保持預(yù)緊狀態(tài)，生成第一個載荷步文件，然后在試驗加載軸末端沿周向均布的16個節(jié)點上依次施加試驗載荷，并刪除上一步的試驗載荷，保持每次只有一個試驗載荷進行加載，依此方法生成17個載荷步文件，求解時只需設(shè)置載荷步起始數(shù)字及步長數(shù)，即可順序讀入這些載荷步文件，進行最后求解。

2.3 靜力學(xué)求解及結(jié)果后處理

由于模型中涉及到接觸分析，因此打開非線性分析選項進行求解。求解后通過后處理功能，顯示模型在相應(yīng)載荷步時的第一主應(yīng)力云圖，如圖3所示，最大主應(yīng)力值為143MPa。

圖3 輪轂有限元分析云圖

3 輪轂彎曲疲勞試驗壽命估算

輪轂線性靜力有限元分析結(jié)果是其疲勞壽命估算的依據(jù)，運用疲勞理論可實現(xiàn)仿真目的。依據(jù)名義應(yīng)力法與Miner線性累計損傷理論，輸入材料的S-N曲線，用疲勞分析軟件FE-SAFE進行疲勞模擬，根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果，用雨流計數(shù)法對轂進行疲勞壽命預(yù)測[7]。

3.1 材料S-N曲線

通過查閱相關(guān)疲勞分析文獻[6]，目前國內(nèi)針對疲勞分析大都利用標準試樣進行疲勞試驗，獲得材料S-N曲線，并考慮缺口系數(shù)、尺寸系數(shù)和表面加工系數(shù)對S-N曲線的影響，對其修正從而獲得實際零件的S-N曲線。同時在缺乏試驗數(shù)據(jù)情況下，當(dāng)N在103～1×107之間時，連接疲勞壽命和疲勞強度在雙對數(shù)坐標上的兩點(N≤103，σ1=0.9σb；N=5×107，σ2=0.9σ-1)，即得到零件S-N曲線，如圖4所示。

圖4 零件S-N曲線

3.2 循環(huán)應(yīng)力載荷歷程

根據(jù)輪轂在各個載荷步有限元分析結(jié)果，分析輪轂危險點的三個主應(yīng)力和等效應(yīng)力數(shù)據(jù)(圖5)，由曲線變化趨勢可以看出，輪轂危險點處第二主應(yīng)力在一個循環(huán)中，應(yīng)力水平始終近似等于0，第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力在一個循環(huán)中對稱分布，處于單向應(yīng)力狀態(tài)。因此認為輪轂危險點處的應(yīng)力載荷歷程為近似正弦變化，根據(jù)輪轂在實際臺架上的加載狀況，在FE-SAFE中定義載荷歷程變化曲線如圖6所示。

圖5 輪轂危險點應(yīng)力變化

圖6 載荷歷程變化曲線

3.3 疲勞壽命理論模型

低壓鑄造鋁合金輪轂多進行有限壽命分析以滿足相關(guān)國標規(guī)定。有限壽命分析不明確區(qū)分裂紋的萌生壽命和擴展壽命，多以裂紋萌生壽命或破壞時壽命作為總壽命，并能預(yù)測輪轂各部位的對數(shù)壽命及失效概率。本文采用第一主應(yīng)力作為S-N曲線中的應(yīng)力幅值，并選擇Goodman方法對平均應(yīng)力進行修正，按照相關(guān)標準設(shè)置輪轂最低循環(huán)次數(shù)、設(shè)定材料的S-N曲線和循環(huán)應(yīng)力載荷時間歷程，最后提交計算。

3.4 疲勞壽命估算及后處理

計算所得輪轂對數(shù)壽命云圖如圖7所示，圖中疲勞危險位置在螺栓孔與通風(fēng)口之間以及通風(fēng)口與通風(fēng)口之間，兩個位置中最低對數(shù)壽命作為輪轂的最低循環(huán)次數(shù)，經(jīng)過對比，輪轂通風(fēng)口與通風(fēng)口之間的對數(shù)壽命最低，其值為5.501，換算成循環(huán)次數(shù)約為31萬次，大于設(shè)計要求的20萬次。

圖7 輪轂疲勞壽命云圖

4 結(jié)論

(1)依據(jù)車輪彎曲疲勞試驗原理，建立重載車低壓鑄造鋁合金輪轂彎曲疲勞試驗有限元模型。結(jié)果表明車輪危險部位主要集中于輪轂螺栓孔與通風(fēng)口之間以及相鄰?fù)L(fēng)口之間，預(yù)測結(jié)果接近實際工況。

(2)對輪轂進行疲勞壽命預(yù)測，仿真結(jié)果滿足國標 GB/T5909-1995 規(guī)定的最低循環(huán)次數(shù)，說明此方法對輪轂疲勞壽命預(yù)測準確。在產(chǎn)品設(shè)計初期對其壽命進行預(yù)測，可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期及成本，同時為后期輪轂結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

[1]鐘翠霞,童水光,閆勝暫,等.基于有限元分析的鋁合金車輪彎曲疲勞壽命的預(yù)測[J].機械設(shè)計與制造，2006，(12)：85-87.

[2]王健行,郝艷華,顏偉澤.接觸分析在車輪彎曲疲勞有限元分析中的應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造，2012，(8)：58-60.

[3]GUO M. Clamp Load Consideration in Fatigue Life Prediction of a Cast Aluminum Wheel Using Finite Element Analysis[J].SAE,2004,12(4):475-478.

[4]GB/T5909-1995，載貨汽車車輪性能要求和試驗方法[S].

[5]QC/T 518-1999，汽車用螺紋緊固件擰緊扭矩規(guī)范 [S].

[6]曾春華,鄒十踐.疲勞分析方法及應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,1991.

[7]Penmetsa Rama Murty Raju .Evaluation of Stress Life of Aluminum Alloy Using Reliability Based Approach [J]. INTERNATIONAL JOURNAL OF PRECISION ENGINEERING AND MANUFACTURING,2012,13(3):395-400.

SimulationAnalysisforBendingFatigueTestingofLowTensionCastingAluminumAlloyAutomotiveWheelsofaHeavyDutyTruck

BIAN Leilei，YUE Fengli

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Finite element model for a wheel of low tension casting for a heavy duty truck,shaft,bolts connection is established by using the finite element analysis method and reasonable loading and boundary conditions are applied to simulate the bending fatigue test. Using FEA software ANSYS,the model is established,contact pairs and related parameters are settled and high stress area and the stress value of the wheel hub circle loading can be got after the testing. The wheel hub fatigue life is estimated through the nominal stress calculation method in the theory of fatigue life and FE-SAFE software estimation system. The fatigue life of the wheel hub has been predicted when it is designed,the result indicates that life of the wheel vent logarithmic is relatively lower,but meets the national standard for minimum cycles.

bending fatigue test;low tension casting wheel hub;FEA;fatigue life

2014-02-26

邊雷雷(1988—)，男，碩士研究生；通訊作者：岳峰麗(1970―)，女，副教授，研究方向：汽車現(xiàn)代設(shè)計及制造技術(shù).

1003-1251(2014)04-0071-04

U463.343

A

趙麗琴)