液壓成形S500MC高強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.沈陽理工大學汽車與交通學院，沈陽 110159；2.中國科學院金屬研究所，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

汽車輕量化設計是降低油耗的重要技術手段。研究表明，車輛質量每減輕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、結構輕量化以及輕量化成形技術等[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、排氣系統等部件，而有關底盤以下零件，特別是承擔整個汽車轉動慣量的車輪，尤其是鋼制車輪的輕量化技術的研發和應用較少，這限制了整車的輕量化發展進程。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鍵部件，目前普遍采用由板材卷焊、多道次滾壓以及擴張精整成形等工序組成的滾壓成形工藝制成；該工藝工序復雜、效率低、成本高，并且無法成形結構外形較為復雜的輪輞零件，難以滿足汽車進一步輕量化的需求。因此，汽車鋼制輪輞高效低成本的輕量化制造技術是當前汽車制造業亟待解決的一個關鍵難題。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點，可有效降低輪輞的應力集中和性能惡化程度。采用更高強度級別的鋼材代替原有中低強度級別的鋼材，并結合液壓成形新技術制造鋼制輪輞，可以最大程度地實現輪輞的輕量化，并且其加工工序簡單，生產效率高，生產成本低。采用液壓成形工藝制造的新型高強鋼汽車輪輞壁厚分布不均勻，局部位置出現減薄現象，這進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受力狀態、材料利用率以及產品質量等方面具有顯著的技術優勢和經濟效益，有助于加速實現整車輕量化。

在汽車行駛過程中車輪受到的載荷為隨機載荷，因此車輪的疲勞性能是汽車車輪研制過程中最關心的問題。車輪的疲勞性能主要包括彎曲疲勞性能和徑向疲勞性能，目前有關這兩種疲勞性能的研究報道較多。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行分析。郝琪等[7]通過靜態分析方法對載貨汽車鋼制車輪的疲勞性能進行分析。但是，有關輪輞壁厚變化對車輪疲勞性能影響的報道較少。韋遼等[8]研究發現，輪輞壁厚在6 mm的基礎上減少1 mm后，其壽命仍可達到國家標準要求。在液壓成形過程中軸向補料量有限，導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，并與常規滾壓成形2.3 mm均勻壁厚SPFH540中強度低合金鋼輪輞和滾壓成形2.0 mm均勻壁厚S500MC微合金高強鋼輪輞的疲勞性能進行了對比。

1 試樣材料

采用1 500 t液壓機將內徑為334 mm，高為295 mm，厚度為2.0 mm的S500MC微合金高強鋼圓筒管坯，通過液壓成形工藝得到直徑355.6 mm、高度151 mm的汽車輪輞；該輪輞的整體結構和截面結構如圖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%。經試驗證實，該輪輞的實際減重率達13.05%。對比試樣為采用常規滾壓成形工藝制備的2.3 mm均勻壁厚SPFH540中強度低合金鋼輪輞。輪輻以及其他零件材料均采用SPFH590鋼。

圖1 液壓成形S500MC高強鋼汽車輪輞的整體結構和截面結構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軟件進行有限元分析，采用四面體網格對模型進行網格劃分。為增加模擬結果對比的準確性，增加滾壓成形2.0 mm均勻壁厚S500MC微合金高強鋼輪輞疲勞性能研究。不同材料性能參數如表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

彎曲工況下的邊界條件：固定輪輞受約束側與內外墊圈相接觸表面的所有節點；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置為面面接觸，摩擦因數均設為0.2。采用靜態加載方式，扭矩為1 510 N·m，螺栓預緊軸力為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GB/T 5334-2005，在車輪的胎圈座上加載余弦分布的旋轉面壓，同時在輪輞受壓面上加載車輪胎壓；在車輪中心(-36°36°范圍)，用局部坐標系加載徑向余弦面壓，加載區域為輪輞胎圈座，旋轉外載荷作用區域模擬轉鼓的轉動，胎壓均勻分布在輪輞上。轉鼓作用于車輪的徑向載荷以及徑向分布載荷最大值的計算公式[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的任意角度；θ0為徑向載荷作用范圍，取π/5。

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

2.2 有限元模擬結果

2.2.1 彎曲工況

汽車車輪的幾何形狀和結構比較復雜，適合使用Von Mises平均應力對其應力狀態進行評估[12-13]。由圖4可以看出：液壓成形S550MC高強鋼輪輞車輪的最大彎曲應力為518 MPa，比滾壓成形均勻壁厚SPFH540和S500MC輪輞車輪的最大應力分別增加了10 MPa和1 MPa，均低于S500MC鋼的屈服強度(565 MPa)，說明車輪在彎曲工況下不會發生變形，滿足靜載要求；最大應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果可靠。

圖4 含輪輻與輪輞的車輪在彎曲工況下的應力分布云圖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力分布進行模擬，結果如圖5所示。由圖5可以看出，液壓成形S500MC鋼輪輞的最大彎曲應力為48 MPa，遠小于其車輪的最大彎曲應力。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)的應力進行對比，結果如圖6所示。由圖6可以看出，液壓成形S500MC鋼輪輞的應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力發生變化，亦即輪輞不會在減薄位置發生疲勞失效，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鋼輪輞的最大應變為2.7×10-4，遠小于S500MC鋼的屈服應變(0.01)[16]，這進一步表明液壓成形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力分別增大了79 MPa和130 MPa，但仍小于S500MC鋼的屈服強度，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力為142 MPa，遠小于車輪的最大徑向應力(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)的應力進行對比，結果如圖10所示。由圖10可以看出，液壓成形S500MC鋼輪輞的徑向疲勞應力分布與滾壓成形均勻壁厚輪輞的徑向疲勞應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力發生明顯變化，亦即輪輞不會在減薄位置發生疲勞失效，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鋼輪輞的最大應變為6.8×10-4，遠小于S500MC鋼的屈服應變，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有限元分析結果的基礎上，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模擬結果如圖12所示。疲勞性能安全系數為實際疲勞循環次數與許用疲勞循環次數之比。車輪不同位置的彎曲疲勞性能安全系數如表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變化趨勢相同，并且3種車輪的彎曲疲勞性能安全系數均大于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模擬結果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模擬結果如圖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變化趨勢相同，并且3種車輪的徑向疲勞性能安全系數均大于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成形模擬結果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Table 3 Radial fatigue property safety factor at differentpositions (shown in Fig.13) of wheel containing spoke and rim

4 結 論

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

(2) 液壓成形S500MC高強鋼輪輞的截面彎曲應力和徑向應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力和徑向應力變化趨勢一致，說明液壓成形輪輞壁厚的局部減薄不會使輪輞所受應力發生明顯變化；液壓成形S500MC鋼輪輞的最大彎曲應力和最大徑向應力分別為48，142 MPa，均低于S500MC鋼的屈服強度(565 MPa),最大彎曲應變和最大徑向應變分別為2.7×10-4，6.8×10-4，遠小于S500MC鋼的屈服應變(0.01)，且疲勞性能安全系數均大于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。