鍛制鋁合金輪轂彎曲疲勞試驗研究

文/馬澤云，楊金嶺·中信戴卡股份有限公司

鍛制鋁合金輪轂彎曲疲勞試驗研究

文/馬澤云，楊金嶺·中信戴卡股份有限公司

為了分析彎曲疲勞對鍛制輪轂的影響，建立了鍛制輪轂彎曲疲勞試驗的三維有限元模型，應(yīng)用有限元分析軟件Ansys進行疲勞仿真分析，從仿真分析計算結(jié)果所得的云圖中，得到了鍛制輪轂在靜態(tài)加載條件下的高應(yīng)力區(qū)域及其Von-Mises應(yīng)力值，從中判斷輪轂彎曲疲勞試驗容易破壞的區(qū)域。試驗表明，有限元分析與試驗結(jié)果吻合得較好，對鍛制鋁合金輪轂的設(shè)計具有重要指導作用。

鍛制輪轂是重要的汽車部件，它對汽車的行駛安全性、穩(wěn)定性、平順性和牽引性有重要作用，對能源的消耗、輪胎的壽命和駕駛員的勞動強度都有較大影響。由于輪轂在隨機載荷下工作，所以其疲勞壽命是研制過程中的重點關(guān)注點之一，即保證輪轂在使用壽命期間不發(fā)生疲勞破壞。針對鍛制輪轂的彎曲疲勞試驗，建立彎曲疲勞試驗的計算機仿真系統(tǒng)，以有限元分析為基礎(chǔ)的疲勞壽命估算系統(tǒng)，給出了以有限元分析結(jié)果與名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法相結(jié)合對鍛制輪轂彎曲疲勞壽命進行預測的方法，該系統(tǒng)由有限元分析程序、接口程序和疲勞壽命估算程序三部分組成。以三維設(shè)計軟件UG和有限元分析軟件ANSYS為工具，將鍛制輪轂的設(shè)計與疲勞壽命預測結(jié)合起來，建立了鍛制輪轂彎曲疲勞的CAE平臺，此平臺較為適合企業(yè)應(yīng)用，但由于有限元力學模型是線性力學模型，沒有考慮各元件間的接觸關(guān)系及螺栓預緊力的影響，所以不能準確地計算出法蘭盤及螺栓孔附近的應(yīng)力分布情況，因而此平臺僅能較可靠的預測出輪輻破壞的鍛制輪轂的彎曲疲勞壽命。

本文通過有限元分析軟件ANSYS對鍛制輪轂進行彎曲疲勞的模擬分析，從仿真分析計算所得的疲勞壽命云圖中，可以直觀的判斷出輪轂的疲勞發(fā)生區(qū)域，通過試驗研究，進一步證實了有限元在工程設(shè)計中的應(yīng)用，為提高鍛制輪轂的壽命，提供了可行的辦法。

疲勞基本概念

疲勞是工程中最常見的一種零件破壞方式。金屬零件在交變載荷作用下，經(jīng)過長期運轉(zhuǎn)后發(fā)生的破壞，稱為疲勞。對于輪轂來說，正常使用情況下產(chǎn)生的破壞也主要是疲勞破壞。工程上將疲勞分為高周疲勞和低周疲勞，在使用周期內(nèi)，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)超過105次產(chǎn)生的疲勞，稱為高周疲勞；應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在102～105次之間的疲勞，稱為低周疲勞。

疲勞破壞的過程：零部件在循環(huán)載荷作用下，在局部的最高應(yīng)力處，最弱的晶粒及應(yīng)力最大的晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴展，最終導致疲勞斷裂。所以，疲勞破壞經(jīng)歷了裂紋形成、擴展和瞬斷三個階段。疲勞裂紋源一般總是出現(xiàn)在應(yīng)力最高的部位。對于受彎曲或扭轉(zhuǎn)的零件和構(gòu)件，表層的應(yīng)力最高，所以裂紋源大多在零件和構(gòu)件表層的峰值應(yīng)力處，如表面加工刀痕、表面應(yīng)力集中部位、冶金過程中表面留下的缺陷、各種加工過程造成的表面裂紋等。觀察宏觀斷口可見，裂紋源可以是一個或多個，這主要由材料和受載情況決定。裂紋一般自亞表面一大晶粒處的穿晶斷裂開始。

疲勞試驗的有限元模擬

彎曲疲勞試驗標準及試驗方法

彎曲試驗的標準很多，常用的有日本JWL標準、美國DOT標準和ISO標準等，雖然可以遵循的標準很多，但所有標準的原理都是一樣的，都是模擬汽車轉(zhuǎn)彎時輪轂的受力情況，試驗裝置如圖1所示。

試驗臺有一個旋轉(zhuǎn)裝置，輪轂靜止不動，承受一個旋轉(zhuǎn)彎曲力矩M的作用，我們將根據(jù)此裝置確定輪轂的載荷情況。

疲勞試驗仿真

⑴輪轂彎曲試驗幾何模型的生成。

利用UG等CAD造型軟件，按圖紙要求建立輪轂3D實體模型，按試驗條件做出螺栓、法蘭及旋轉(zhuǎn)軸的3D造型，如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)彎彎曲疲勞試驗裝置

圖2 輪轂結(jié)構(gòu)的有限元分析實體模型

⑵輪轂彎曲試驗分析模型的建立。

完成輪轂幾何模型后，就可以建立它的有限元模型，首先是進行網(wǎng)格劃分(Mesh)。由于輪轂是形狀極不規(guī)則的實體，因此選用對邊界擬合能力較強的四面體10節(jié)點Solid92單元對輪轂進行有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完成后共生成320753個節(jié)點，181748個單元，網(wǎng)格劃分后的模型如圖3所示。

圖3 輪轂結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型

⑶輪轂的約束與載荷。

由于在實際中輪轂的作用力和螺栓預緊力都是通過輪轂安裝面與法蘭之間及螺母球面與輪輻螺栓孔球面之間的接觸來傳遞的，因此需要建立螺母球面與輪輻螺栓孔球面之間的接觸對以及輪轂安裝面與法蘭安裝面之間的接觸對。

按實際情況對輪轂的內(nèi)輪緣施加固定約束。螺栓上施加預緊力，加載軸長1m，將實際試驗彎矩換算成集中力施加到軸端面上。加載后的模型如圖4所示。

圖4 輪轂結(jié)構(gòu)的分析模型

圖5 Von-Mises應(yīng)力等值云圖

⑷計算結(jié)果分析。

由于輪轂結(jié)構(gòu)復雜，在試驗載荷作用下輪轂處于復雜應(yīng)力狀態(tài)，所以用Von-Mises應(yīng)力作為計算應(yīng)力。輪轂在實際試驗中承受動態(tài)彎矩，在不同時刻載荷方向不同，產(chǎn)生應(yīng)力最大點位置不同，在靜態(tài)分析中可以根據(jù)輪轂的結(jié)構(gòu)特性進行多次加載，確定循環(huán)載荷下應(yīng)力最大點的位置。

經(jīng)過ANSYS后處理我們得到了多個方向載荷下的輪轂等效應(yīng)力結(jié)果，如圖5所示。從分析結(jié)果來看，螺栓孔靠近輪心的位置是應(yīng)力極值位置，也是最危險的位置。

臺架試驗

鍛制鋁合金輪轂彎曲疲勞臺架試驗結(jié)果如圖6所示，通過臺架試驗，我們可以清楚地看到輪轂的失效分布情況。從圖6中可以看到，試驗所得到輪轂裂紋部位，即最大應(yīng)力部位在螺栓孔靠近輪心處，這與我們進行有限元分析的結(jié)果是相同的，說明我們的有限元分析是合理的。

結(jié)論

⑴運用有限元分析軟件ANSYS對鍛制輪轂的疲勞試驗進行分析，建立了鍛制輪轂疲勞試驗的分析模型，獲得了鍛制輪轂疲勞破壞位置的最大應(yīng)力分布區(qū)域，為進一步改善輪轂的結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。

圖6 臺架試驗結(jié)果圖

⑵試驗表明，有限元在鍛制輪轂疲勞分析中，能夠提供比較準確的依據(jù)，縮短了設(shè)計開發(fā)周期，節(jié)約了設(shè)計開發(fā)成本。