輪輞與輪輻間焊縫參數對鋼制車輪彎曲應力影響的仿真分析

劉旺浩+單穎春+劉獻棟

摘要： 為考察輪輞與輪輻間焊縫對鋼制車輪強度的影響，建立包括該焊縫在內的鋼制車輪的有限元模型，分析在彎曲載荷作用下，鋼制車輪輪輞與輪輻間的焊腳高度、焊縫截面形狀以及焊縫布置位置對車輪應力的影響.仿真結果表明：對于該鋼制車輪，輪輞與輪輻間焊腳高度可以由目前的3.5 mm減至2.5 mm，這為焊接工藝參數的調整提供一定參考；焊縫截面邊界為直邊時焊縫處應力較小；當每段焊縫的一半對著通風孔時焊接區域應力較小.該仿真分析可用于鋼制車輪輪輞與輪輻間焊縫結構的優化，并為鋼制車輪在彎曲載荷作用下的疲勞壽命估算提供更準確的應力計算結果.

關鍵詞： 鋼制車輪； 焊縫參數； 彎曲載荷； 強度； 應力； 有限元

中圖分類號： U463.34； TB115.1文獻標志碼： B

0引言

準確獲得結構在其工作載荷下的應力狀況是估算其疲勞壽命的前提.對彎曲載荷作用下鋼制車輪的應力進行仿真計算時，以往學者[15]采用的有限元模型中多忽略輪輻與輪輞間的焊縫結構，將輪輻與輪輞在過盈面處直接綁定在一起.這種簡化不僅無法計算焊縫本身的應力，還忽略焊縫對焊接區域、緩沖環等處應力的影響.為得到更接近實際的應力仿真結果，為鋼制車輪疲勞壽命預測提供更準確的數據，在鋼制車輪三維模型中增加焊縫，分析鋼制車輪在彎曲載荷作用下輪輞與輪輻間的不同焊腳高度、焊縫截面形狀和焊縫位置等因素對車輪應力的影響，重點分析焊縫對焊接區域附近和危險應力區域——緩沖環上最大應力的影響.

1包含焊縫結構的車輪彎曲應力仿真有限元模型模擬車輪在彎曲疲勞試驗臺上的加載狀況，在Abaqus[6]中建立某型鋼制車輪的有限元模型.模型包括輪輞、輪輻、連接盤、加載軸和輪輞與輪輻間的焊縫結構.輪輞與輪輻間經過盈裝配后端面焊接，輪輻在半徑上的過盈量為0.25 mm.輪輻輻底與連接盤、連接盤與加載軸固定連接.按照該型車輪的試驗條件，分析時固定輪輞中遠離輪輻的端面，在加載軸的端部施加垂直于軸的彎曲載荷F=3 022.4 N.車輪部件和整體有限元模型見圖1和2.a）輪輻b）輪輞c）連接盤d）加載軸e）焊縫圖 1車輪部件

Fig.1Wheel parts

圖 2整體有限元模型

Fig.2Whole finite element model

分別定義各結構的材料屬性：輪輻與輪輞的材料為車輪鋼BG380CL，密度為7.8×10-9 t/mm3，彈性模量為2.00×105 MPa，泊松比為0.3.此外，由于分析時考慮材料非線性特性的影響，所以給定輪輞、輪輻材料屈服后的硬化特性.加載軸的材料為40Cr，密度為7.8×10-9 t/mm3，彈性模量為2.11×105 MPa，泊松比為0.3.連接盤的材料為45號鋼，密度為7.8×10-9 t/mm3，彈性模量為2.06×105 MPa，泊松比為0.3.由于焊縫附近的材料屬性難以確定，所以分析中進行簡化處理，假設焊縫材料與母材相同，即密度為7.8×10-9 t/mm3，彈性模量為2.00×105 MPa，泊松比為0.3.

整個仿真過程包括4個步驟：首先，因在Abaqus中綁定約束必須在初始步中進行設置，故在初始分析步中將加載軸與連接盤、連接盤與輪輻、焊縫與輪輞間的連接面設置為綁定約束，即固定連接；然后，在第1個分析步中設置輪輻與輪輞之間為過盈接觸，摩擦因數設為0.15，即可獲得輪輞與輪輻間的過盈應力；在第2個分析步中設置輪輻與焊縫間的接觸為切向“粗糙”即切向無滑移，法向接觸屬性為“硬接觸”且接觸后不分開，從而通過該分析步建立焊縫結構與輪輻間的連接關系，保證焊縫與輪輻間在切向與法向均無相對運動；在第3個分析步中定義彎曲載荷，將其施加在加載軸的端部，從而獲得考慮焊縫結構以及過盈應力影響時車輪在彎曲載荷作用下的應力分布.

2不同焊腳高度的影響

輪輞與輪輻間焊腳高度的大小不僅影響焊接區域的應力，而且影響車輪焊接的效率和焊縫材料的用量，直接影響產品的加工成本.為研究焊腳高度的影響，在車輪仿真模型中分別建立焊腳高度為3.5，3.0，2.5，2.0和1.5 mm角焊縫[7]的三維模型.目前該型車輪中焊縫的焊腳高度為3.5 mm，模型中焊縫及其焊腳高度見圖3.為建模方便并減少應力集中的影響，角焊縫采用整圈連續焊縫.焊縫處的總體網格為0.5 mm，單元選擇8節點六面體單元中的C3D8R.在彎曲載荷作用下，輪輻上的應力通常大于輪輞上的應力，故在此只給出采用不同焊腳高度的焊縫時，焊縫結構和輪輻中焊接區域附近的最大應力，具體的應力計算結果見表1.

a）b）圖 3模型中焊縫及其焊腳高度

Fig.3Weld seam of model and its fillet height

表 1不同焊腳高度的焊縫對應的應力計算結果

Tab.1Calculation results of weld seam stress under different fillet height 焊腳高度/mm3.53.02.52.01.5焊縫應力/MPa200208203270261輪輻上焊接區域應力/MPa231228224219217

由表1可知：焊腳高度在2.5～3.5 mm時，焊縫上的最大應力和輪輻上焊接區域的最大應力變化不大；當焊腳高度為2.0 mm時，焊縫上的最大應力比焊腳高度為3.5 mm時增長35%；當焊腳高度為1.5 mm時，焊縫上的最大應力比焊腳高度為3.5 mm時增長30.5%.因此，當焊腳高度小于2.5 mm時，焊縫上的最大應力增大很多，容易引起焊縫的疲勞破壞，而輪輻上焊縫區域附近的最大應力降低不明顯，故輪輞與輪輻間的焊縫的焊腳高度不應低于2.5 mm.

根據《鋼結構設計規范》[8]規定：角焊縫的焊腳尺寸不得小于1.5t，其中t為較厚焊件厚度，mm.該鋼制車輪中厚度較大組件輪輻的厚度為4.25 mm，因此，最小焊腳高度應取為1.5×4.25=3.09 mm.我國的國家標準對角焊縫的最小焊腳尺寸和焊縫強度的規定偏于保守，為減小焊腳高度提供可能.[9]但是，由于本文仿真計算時，焊接區域附近的材料屬性設定為與母材相同，因此會帶來仿真結果的偏差.

綜上，為保證車輪的疲勞壽命，還需相應的試驗驗證焊縫采用2.5 mm的焊腳高度對于該型車輪結構是否安全.

3不同焊縫截面形狀的影響

參考實際車輪產品，對于不同類型的車輪，輪輞與輪輻間焊縫的截面形狀有所區別，為研究不同焊縫截面形狀對車輪應力的影響，分別研究3種焊縫截面形狀下車輪受彎曲載荷時的應力變化情況.其焊縫的焊腳高度均為3.5 mm，截面邊界分別為直邊、凸形和凹形，見圖4.

a）直邊b）凸形c）凹形

圖 4不同截面形狀的角焊縫

Fig.4Fillet weld seams with different cross section shapes

對各種焊縫截面結構，均采用0.5 mm的總體網格.直邊角焊縫的結構相對簡單，采用8節點六面體單元中的C3D8R進行離散；凸形和凹形角焊縫，采用帶有中間節點的10節點四面體單元中的C3D10進行離散.不同截面形狀的焊縫對應的應力計算結果見表2.

表 2不同截面形狀的焊縫對應的應力計算結果

Tab.2Calculation results of weld seam stress under

different cross section shapesMPa焊縫截面形狀直邊凸形凹形焊縫應力200258266焊接區域應力231241238

由表2可知：不同焊縫截面形狀對輪輞或輪輻上焊接區域附近的應力影響不大，但對焊縫結構本身的應力影響較大：當采用凸形焊縫時，焊縫上的最大應力比采用直邊焊縫時增長29%；當采用凹形焊縫時，焊縫上的最大應力比采用直邊焊縫時增長33%；截面邊界采用直邊時焊縫處應力較小.

4不同焊縫位置的影響

該型車輪輪輞與輪輻之間的焊縫并非整圈焊縫，而是采用4段85 mm的斷開焊縫.目前在實際生產中，均沒有考慮4段焊縫與輪輻通風孔之間的相對位置關系對車輪應力的影響，即焊縫與通風孔之間的位置關系是隨機的.本節研究焊縫與通風孔之間處于不同相對位置時車輪應力的變化情況，分析3種不同的焊縫位置，見圖5.不同位置的焊縫對應的應力計算結果見表3.由表3可知：焊縫位置一半對著通風孔時比處于正對通風孔時，輪輻上焊接區域的最大應力下降0.8%，焊縫上的最大應力下降6.3%；焊縫一半對著通風孔時比處于兩通風孔之間時，輪輻上焊接區域的最大應力下降10.8%，焊縫上的最大應力下降2%.因此，焊接時使焊縫加工的位置一半對著通風孔，對于降低焊縫的應力和車輪焊接區域附近的應力均比較有利，可作為實際生產的依據.

a）正對通風孔b）一半對著通風孔c）兩通風孔之間

圖 5焊縫相對于輪輻上的通風孔的不同位置

Fig.5Different positions of weld seams relative to vent

表 3不同位置的焊縫對應的應力計算結果

Tab.3Calculation results of weld seam stress under

different weld positionsMPa焊縫位置正對通風孔一半對著通風孔兩通風孔之間焊縫應力205192196焊接區域應力266264296

5焊縫對焊接區域和緩沖環上最大應力的影響當不考慮焊縫結構時，車輪模型中輪輞與輪輻的過盈接觸面被簡化為固定連接，即難以在一次仿真中既考慮過盈應力又考慮彎曲載荷產生的應力，導致應力計算結果產生較大的偏差.在此，分析是否考慮焊縫結構對車輪不同位置應力的影響.其中，不考慮焊縫結構的有限元模型見文獻[10]，考慮焊縫結構的有限元模型中焊縫采用圖5b的位置.仿真計算結果見表4.

表 4無焊縫與有焊縫時對應的應力計算結果

Tab.4Stress calculation results with or without

weld seamMPa應力位置無焊縫有焊縫輪輻上焊接區域213264緩沖環324322

由表4可知：考慮焊縫時比不考慮焊縫時輪輻上焊接區域的最大應力增長23.9%，而輪輻緩沖環上的最大應力下降0.6%，所以焊縫對焊接區域的最大應力影響很大，而對緩沖環的最大應力影響不大.雖然仿真結果中焊縫區域的最大應力比緩沖環上的最大應力小58 MPa，但此處的應力已經遠超過該材料的屈服極限；另外，由于焊接過程往往導致焊接區域附近材料疲勞性能顯著下降，因此考慮焊縫結構對焊接區域應力的影響十分必要.

6結論

考慮焊縫結構的影響，分析鋼制車輪在彎曲載荷作用下，輪輞與輪輻間焊縫的不同焊腳高度、截面形狀和不同位置對車輪應力的影響，并分析焊縫對焊接區域附近和緩沖環上最大應力的影響.通過仿真計算，得到如下結論：

1）輪輞與輪輻間焊縫的焊腳高度存在最優值：對于該型車輪，仿真結果表明輪輞與輪輻間最佳焊腳高度約為2.5 mm.

2）當焊縫截面邊界采用直邊時焊縫處應力較小.

3）該型車輪采用4段焊縫連接輪輞與輪輻，其焊縫與輪輻通風孔的最佳相對位置見圖5b，即一半對著通風孔.

4）焊縫對焊接區域的最大應力影響很大，而對彎曲載荷作用下車輪中應力最危險區域——緩沖環上最大應力的影響可以忽略.

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（編輯 武曉英）

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