鋁合金車輪動態(tài)彎曲疲勞壽命預(yù)測
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車輪是汽車的重要安全部件，對汽車的行駛安全性、平順性和乘員舒適性有重要影響。車輪一般在隨機(jī)動載荷作用下工作，造成車輪失效的主要形式為疲勞破壞。車輪在使用前必須通過多項(xiàng)性能試驗(yàn)，其中動態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)是一項(xiàng)重要的測試環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[1]指出，車輪的疲勞破壞主要是由彎矩作用引起，彎曲疲勞成為車輪破壞的主要原因。如果能在設(shè)計階段預(yù)測出車輪的疲勞壽命和破壞部位，將有利于結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計。
近年來，鋁合金車輪已經(jīng)得到廣泛使用，鋁制車輪不僅可以提供較高的承載能力，節(jié)省能源消耗，而且還能滿足外觀個性化設(shè)計的要求。憑借經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)設(shè)計模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代化的開發(fā)要求，目前已逐漸過渡到運(yùn)用有限元技術(shù)的發(fā)展階段。
本文以某款22X8.5JJ 鋁合金車輪為例，模擬動態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)過程，并預(yù)測車輪的疲勞壽命和破壞部位。
1 車輪動態(tài)疲勞壽命預(yù)測分析過程
分析流程如圖1所示，首先對車輪進(jìn)行有限元靜態(tài)計算，得到試驗(yàn)條件下一個載荷循環(huán)的結(jié)果響應(yīng)，然后提取各載荷步的應(yīng)力、應(yīng)變作為疲勞損傷載荷。疲勞壽命分析時采用主應(yīng)變準(zhǔn)則，并考慮平均應(yīng)力的影響，最后應(yīng)用Miner法則對單個載荷循環(huán)造成的損傷進(jìn)行累積并計算疲勞壽命。
圖1 車輪疲勞壽命預(yù)測流程圖
車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)常用的標(biāo)準(zhǔn)有JWL標(biāo)準(zhǔn)、DOT標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)等，這些標(biāo)準(zhǔn)都是模擬車輪在彎短作用下的受載情況。試驗(yàn)裝置如圖2所示，車輪固定在試驗(yàn)臺上，通過加載桿對車輪施加旋轉(zhuǎn)彎矩。
圖2 彎曲疲勞試驗(yàn)裝置示意圖
M = ( uR + h) FS (1)
式中U ——輪胎與道路的摩擦因數(shù)
R——靜載半徑(汽車制造廠規(guī)定與該輪轂配用輪胎的靜載半徑)
h——車輪內(nèi)偏距或外偏距
F——汽車制造廠規(guī)定的軍輪額定負(fù)荷
S——強(qiáng)化試驗(yàn)系數(shù)
3 車輪靜態(tài)有限元計算
建立精確的有限元模型是分析問題的基礎(chǔ)，直接影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。輪轂法蘭盤和加載軒之間用螺栓連接，建模時用接觸單元分別模擬螺栓與法蘭盤、螺母與加載桿的接觸面，摩擦因數(shù)取0.2;連接螺栓采用ANSYS軟件提供的特殊預(yù)緊單元(PRETS179)和求解方法進(jìn)行模擬。在該模型中輪轂、螺栓結(jié)構(gòu)和加載桿均采用實(shí)體單元建模，其中加載桿僅起到施加彎矩的作用，采用較大的單元尺寸以減小計算量;法蘭盤部位采用較密的單元劃分以得到精確的計算結(jié)果，有限元模型如圖3所示。
圖3 彎曲疲勞試驗(yàn)有限元模型
在進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)時，車輪螺栓孔部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，輪轂與加載桿連接螺栓預(yù)緊力的不同對結(jié)果有較大影響，一般通過調(diào)整施加給螺栓的扭矩來控制預(yù)緊力的大小。該車輪選用MIS x28.SX60 的螺栓，施加的扭矩為110N·m，螺栓預(yù)緊力為
F0 = T/Kd
式中 T-螺栓扭矩 d-螺栓直徑 K-擰緊力矩系數(shù)
對車輪施加的彎矩等效為在加載抨末端施加一個恒定的周向變化的載荷，載荷每旋轉(zhuǎn)一周完成一次加載循環(huán)，隨著載荷轉(zhuǎn)動角度的變化，車輪各處的應(yīng)力、應(yīng)變也隨著不斷變化。在加載抨末端困心節(jié)點(diǎn)上以15°間隔沿圓周方向依次施加大小相同的載荷，得到24個結(jié)果序列，用來近似表示車輪每個節(jié)點(diǎn)在一個載荷循環(huán)內(nèi)的受力變化情況，載荷分布如圖3加載桿末端所示。
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