鋁合金車輪虛擬沖擊臺架試驗(yàn)研究

王利梅，李建，孫惠學(xué)

(1.秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司，河北秦皇島 066004；2.秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開發(fā)有限公司，河北秦皇島 066004)

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鋁合金車輪虛擬沖擊臺架試驗(yàn)研究

王利梅1，李建2，孫惠學(xué)2

(1.秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司，河北秦皇島 066004；2.秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開發(fā)有限公司，河北秦皇島 066004)

針對某公司為客戶生產(chǎn)的一款鋁合金車輪在進(jìn)行13°沖擊試驗(yàn)時失效情況，采用有限元分析軟件建立與實(shí)際試驗(yàn)相仿的虛擬沖擊臺架試驗(yàn)，通過分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)際車輪試驗(yàn)失效情況，對車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了修改，修改后車輪順利通過了13°沖擊試驗(yàn)。此虛擬沖擊臺架試驗(yàn)的建立可為車輪前期開發(fā)人員提供指導(dǎo)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

鋁合金車輪；沖擊試驗(yàn)；有限元分析

0 引言

鋁合金車輪作為汽車重要的安全件和外觀件，對汽車的行駛安全性和操縱穩(wěn)定性有著重大的影響。車輪產(chǎn)品在批量生產(chǎn)前必須通過彎曲疲勞試驗(yàn)、徑向疲勞試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，以此來檢驗(yàn)車輪的安全性[1-2]。

某公司為客戶生產(chǎn)一款18×8J輪型，前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具開發(fā)、產(chǎn)品試制及生產(chǎn)由該公司完成，該款車輪特點(diǎn)為質(zhì)量輕、承載能力大。該款輪型注重車輪輕量化，在進(jìn)行13°沖擊試驗(yàn)時未通過。針對此問題，采用有限元分析軟件建立與實(shí)際試驗(yàn)相仿的虛擬沖擊臺架試驗(yàn)，針對分析結(jié)果，再結(jié)合實(shí)際車輪試驗(yàn)失效情況，對車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了修改，修改后的車輪順利通過了13°沖擊試驗(yàn)。此研究為前期開發(fā)人員提供了指導(dǎo)，縮短了開發(fā)周期。

1 車輪沖擊虛擬試驗(yàn)的建立

1.1 試驗(yàn)參數(shù)的確定

鋁合金車輪13°沖擊試驗(yàn)是車輪抗沖擊性能的主要測試方法，目的是模擬車輪在實(shí)際行駛中受到石塊等物的側(cè)向沖擊或車輪撞擊公路路肩的情況。沖擊試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。車輪裝配輪胎，軸線與沖頭運(yùn)動方向呈13°±1°固定安裝。沖頭的沖擊面長度不小于375 mm，寬不小于125 mm。沖頭通過自由落體將重力勢能轉(zhuǎn)化為對車輪沖擊能，從指定高度豎直下落瞬間作用于車輪輪輞的輪緣上。此款車輪沖擊試驗(yàn)采用日本JWL標(biāo)準(zhǔn)，沖擊位置為正對著氣門嘴對應(yīng)的輪輻上，客戶指定沖擊高度為255 mm。

圖1 沖擊試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)JWL標(biāo)準(zhǔn)中的公式計(jì)算沖錘質(zhì)量D(±2%)：

D=0.6W+180

(1)

式中：W為最大車輪載質(zhì)量。

車輪最大載質(zhì)量為690 kg，經(jīng)計(jì)算車輪沖擊實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)失效判斷準(zhǔn)則：實(shí)驗(yàn)中不能出現(xiàn)穿透性裂紋(通過染色浸透探傷法進(jìn)行檢查)、輪輞和輪輻脫離以及漏氣等現(xiàn)象(實(shí)驗(yàn)中沖錘與輪轂直接接觸造成的損傷、變形等不作為判斷的對象)。上述的漏氣現(xiàn)象是指輪胎內(nèi)部胎壓在1 min內(nèi)全部漏光的情況。按照試驗(yàn)參數(shù)對此款車輪進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，車輪表面輪輻出現(xiàn)穿透性裂紋，裂紋位置如圖2所示。

圖2 車輪沖擊試驗(yàn)車輪失效結(jié)果圖

1.2 車輪沖擊虛擬試驗(yàn)有限元模型的建立

按照車輪沖擊試驗(yàn)方法要求及試驗(yàn)參數(shù)，采用有限元分析軟件建立車輪沖擊虛擬臺架試驗(yàn)。有限元分析設(shè)置過程包括車輪材料屬性的定義、有限單元的劃分及邊界條件的施加等。

沖擊試驗(yàn)中由于車輪承受瞬時沖擊載荷，局部應(yīng)力較高，導(dǎo)致車輪局部產(chǎn)生塑性變形，因此分析過程中將車輪材料設(shè)置為彈塑性材料。此款車輪材料為A356鋁合金，熱處理工藝為T6處理(固熔熱處理后進(jìn)行人工時效)，材料參數(shù)按照試樣的實(shí)際機(jī)械性能數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置。依次從鋁車輪1、2、3、4處各取1個試樣，進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)，選取位置如圖3所示。利用試驗(yàn)實(shí)際所得數(shù)據(jù)，根據(jù)GB/T 228.1-2010計(jì)算出各項(xiàng)性能指標(biāo)的平均值，材料性能為：彈性模量69.68 GPa，屈服強(qiáng)度為195.053 MPa，屈服應(yīng)變?yōu)?.292%，抗拉強(qiáng)度為275.65 MPa，抗拉應(yīng)變?yōu)?.7%。材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖3 取樣位置示意圖

圖4 材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

分析采用非線性四面體單元C3D10M對車輪模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元大小選為10 mm，車輪網(wǎng)格劃分如圖5所示。將車輪5個螺栓孔及車輪與安裝盤的接觸面固定，約束其6個自由度?？紤]到帶有輪胎模型計(jì)算時間較長，所以將試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喕?，不考慮輪胎及充氣壓力對載荷的影響[3]。沖塊與車輪上表面間建立接觸對，根據(jù)試驗(yàn)沖擊高度，計(jì)算得到?jīng)_擊塊到達(dá)車輪表面的初速度，施加給沖塊初速度及重力加速度，使其從接觸位置開始計(jì)算，從而簡化模型縮短分析時間。

圖5 車輪結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型

2 失效結(jié)果分析及車輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)圖2中車輪經(jīng)沖擊后失效位置為直接受沖擊的輪輻中部及相鄰的輪輻根部，分析得到車輪最大主應(yīng)力及最大主應(yīng)變云圖分別如圖6、圖7所示，可以看到：直接受沖擊的輪輻以及相鄰輪輻靠根部為拉應(yīng)力及塑性應(yīng)變較大區(qū)域，分析結(jié)果與實(shí)際失效破壞位置相同。

圖6 車輪最大主應(yīng)變云圖

圖7 車輪最大主應(yīng)力云圖

輪輻中部失效原因可能是因輪緣部位較厚，強(qiáng)度較高，沖擊時產(chǎn)生變形較小，導(dǎo)致大部分能量由輪輻吸收。而兩側(cè)輪輻根部失效的原因可能是因?yàn)樵跊_擊過程中，直接沖擊的輪輻產(chǎn)生彎曲變形，而兩側(cè)輪輻產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，根部圓角部位受到較大拉應(yīng)力作用。因此將輪輻與輪輞之間的過渡圓加大,同時降低輪緣厚度，修改前、后車輪結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 修改前后車輪結(jié)構(gòu)圖

修改后受沖擊輪輻中部的塑性應(yīng)變明顯降低，塑性應(yīng)變從6.5%下降到4.3%，而相鄰輪輻根部的塑性應(yīng)變由原來的3.5%下降到2.1%。根據(jù)有限元分析結(jié)果，對車輪模具進(jìn)行了相應(yīng)修改，并且生產(chǎn)出新車輪產(chǎn)品，順利通過13°沖擊試驗(yàn)，進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。

3 結(jié)束語

鋁合金車輪的耐沖擊性能與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相關(guān)，采用有限元分析軟件，建立了以第一主應(yīng)變?yōu)榕卸?zhǔn)則的車輪沖擊試驗(yàn)?zāi)Ｐ停奢^好地指導(dǎo)現(xiàn)場產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

[1]臧孟炎,秦滔.鋁合金車輪13°沖擊試驗(yàn)仿真分析[J].機(jī)械工程學(xué)報，2010,46(2):83-87. ZANG M Y,QIN T.Simulation Analysis of Car A-alloy Wheel 13° Impact Test[J].Journal of Mechanical Engineering,2010,46(2):83-87.

[2]陸斌.鋁車輪沖擊試驗(yàn)失效案例及其有限元分析[J].汽車技術(shù),2010(8):52-56. LU B.Failure Case & FEA of Aluminum Wheel Impact Test[J].Automobile Technology,2010(8):52-56.

[3]閆勝咎，童水光，朱訓(xùn)明．鋁合金車輪沖擊試驗(yàn)有限元分析[J]．華電技術(shù)，2007，29(8)：24-27. YAN S Z,TONG S G,ZHU X M.FEA on the Impact Test of Aluminium Alloy Wheel[J].Huadian Technology,2007，29(8)：24-27.

江森自控在滬揭幕亞太區(qū)“智慧”總部

2017年6月22日，江森自控宣布其位于上海的亞太總部大樓正式落成啟用。作為中國首座斬獲三星級中國綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)識認(rèn)證、IFC-世界銀行集團(tuán)EDGE(卓越高能效設(shè)計(jì))認(rèn)證和美國綠色建筑協(xié)會LEED(能源與環(huán)境設(shè)計(jì)先鋒獎)新建建筑鉑金級認(rèn)證的“三重認(rèn)證”建筑，江森自控亞太總部不僅成為中國綠色智慧建筑新地標(biāo)，也是江森自控亞太區(qū)可持續(xù)發(fā)展新引擎，以及全球戰(zhàn)略布局的重要里程碑。

新啟用的江森自控亞太總部大樓由江森自控和上海新長寧(集團(tuán))有限公司共同定制開發(fā)，雙方團(tuán)隊(duì)歷時三年共同打造了這座集辦公、研發(fā)、展示等功能為一體的地標(biāo)性建筑。該總部大樓總建筑面積約44 300 m2，坐落于上海市長寧區(qū)虹橋臨空經(jīng)濟(jì)園區(qū)，與“園林式、高科技、總部型”的園區(qū)目標(biāo)定位高度匹配，同時毗鄰虹橋交通樞紐，緊臨蘇州河沿岸，盡顯產(chǎn)業(yè)聚集、交通便利和綠色生態(tài)的綜合區(qū)位優(yōu)勢，從戰(zhàn)略選址上彰顯江森自控在中國及亞太發(fā)展的雄心和信心。

(來源：俞慶華)

Study on the Virtual Impact Bench Test of Aluminum Alloy Wheels

WANG Limei1,2,LI Jian2,SUN Huixue2

(1.Qinhuangdao Dicastal Xinglong Wheel Co., Ltd., Qinhuangdao Hebei 066004,China;2.Qinhuangdao Yanda Modern CIMS Technology Development Co., Qinhuangdao Hebei 066004,China)

Facing the situation that a aluminium alloy provide for customer was failure in wheels’ 13° impact test, finite element analysis software was used to build a virtual impact bench test which was similar to the actual bench test. By analyzing the test results, also taking the actual test failure situation into account, the wheel structure parameters were modified and those wheels after modified passed the 13° impact test successfully. The establishment of this virtual impact bench test can guide research & development staff effectively, the development period is shortened and the development cost is reduced.

Aluminum alloy wheels; Impact test; Finite element analysis

2017-03-13

王利梅,女，碩士，工程師，從事鍛造、鑄造鋁合金車輪及模具設(shè)計(jì)工作。E-mail:cae006@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.005

TH164

A

1674-1986(2017)07-019-03