重载车低压铸造铝合金轮毂弯曲疲劳试验仿真方法研究

边雷雷，岳峰丽

(沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159)

重载车低压铸造铝合金轮毂弯曲疲劳试验仿真方法研究

边雷雷，岳峰丽

(沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159)

利用有限元分析方法，建立重载车低压铸造铝合金轮毂、试验加载轴、螺栓连接件的有限元模型，施加合理的边界条件进行弯曲疲劳试验模拟研究。通过设置接触对以及相关参数，对轮毂按照台架试验要求进行周向加载，得出轮毂在循环中的高应力区域。运用疲劳寿命中的名义应力法以及FE-SAFE软件估算轮毂疲劳寿命。结果表明：轮毂通风口之间对数寿命相对较低，但满足国标规定最低循环次数。

弯曲疲劳试验；低压铸造轮毂；有限元分析；疲劳寿命

随着低压铸造铝合金轮毂在汽车行业广泛应用，铝合金轮毂的疲劳性能越来越受到重视，钟翠霞等人[1]运用名义应力法预测轮毂弯曲疲劳寿命，预测结果与试验寿命基本一致，验证了预测方法的可行性和有效性。王健行等人[2]运用有限元接触分析方法和名义应力法对对大尺寸钢制轮毂进行弯曲疲劳寿命预测，预测结果与试验结果基本一致。文献[3]运用有限元方法并考虑预紧力对疲劳寿命的影响，对低压铸造铝合金轮毂进行疲劳寿命分析，结果表明，预紧力对轮毂疲劳寿命的影响不能忽略。目前研究大都集中在轿车用小尺寸铝合金轮毂疲劳寿命分析，重载车用低压铸造铝合金轮毂疲劳寿命分析报道较少。重载车用铝合金轮毂大都采用锻造和压力铸造，成本相对较高。低压铸造作为比较成熟的成型方式，成本低，且铝合金轮毂在重载车上使用，可提高整车安全性。但低压铸造大尺寸铝合金轮毂在重载车上使用状况分析，相关报道较少。本文针对某款重载车用低压铸造铝合金轮毂进行弯曲疲劳寿命研究。

1 轮毂弯曲疲劳试验

1.1 铝合金轮毂弯曲疲劳试验

目前，常用的轮毂弯曲疲劳试验方法是将轮毂固定在试验台上，然后由电机带动偏心块进行旋转加载或采用在加载轴轴端施加恒定力进行加载，通过旋转在轮毂轮心部位形成旋转弯矩，统计轮毂发生疲劳破坏时的循环次数来获得寿命。本文采用将轮毂固定并在加载轴端施加恒定力的方法进行模拟。

1.2 计算车轮试验弯曲载荷和螺栓预紧力

按照国标GB/T5909-1995[4]规定，载重汽车轮毂弯曲试验载荷弯矩M(力×力臂)由式(1)确定。

M=W×(R×μ+d)×S

(1)

式中：M为试验弯矩，N·m；W为车轮上的最大垂直静负荷或车轮额定负荷(由车轮或汽车制造厂规定)，N；R为最大装胎半径，即静载荷半径，可由当前轮胎和轮辋协会的年度手册或汽车轮毂制造商规定，m；μ为轮胎和地面的摩擦系数，通常取0.7；d为轮毂偏矩绝对值，m；S为安全系数。

试验轮毂采用10个双头螺柱固定在试验台上，螺母规格为M30×1.5，试验螺栓拧紧力矩670N·m，通过查找机械设计手册[5]中关于螺栓预紧力的计算方法，计算得出试验所需螺栓预紧力。相关数据如表1、表2所示。

表1 试验弯矩计算结果

表2 螺栓预紧力计算结果

2 铝合金轮毂弯曲疲劳试验仿真分析

根据某轮毂制造厂相关要求，对其生产的铝合金轮毂进行弯曲疲劳试验仿真分析研究，以达到降低实际试验成本并缩短产品开发周期的目的。

2.1 模型建立及网格划分

使用三维建模软件UG建立轮毂三维实体模型，并导出实体格式(.x_t)，将轮毂实体导入通用有限元分析软件进行有限元分析的前处理，包括单元类型定义、选择材料模型、网格划分等。由于网格的疏密和精度直接影响到计算结果的准确性，因此对轮毂、螺栓、加载轴采用实体单元来划分，同时为保证计算精度，实例采用十节点四面体Solid187单元，使用Smart网格生成工具对模型进行疏密度控制，生成的有限元模型节点数为57600，单元数为22387。生成的单元模型如图1所示。

图1 铝合金轮毂弯曲疲劳试验有限元模型

2.2 施加约束条件

为使模拟结果更接近实际，模型的约束效果应与实际工况相符合，因此采用将轮毂内轮缘面进行固定约束，并且定义螺栓与轮毂上面、轮毂下面与加载轴法兰盘上面、螺栓与加载轴法兰盘下面三个接触对，定义摩擦系数为0.15。边界条件设置流程如图2所示。

图2 边界条件设置流程图

首先在10个预紧螺栓上施加预紧力，并在以后的加载过程中保持预紧状态，生成第一个载荷步文件，然后在试验加载轴末端沿周向均布的16个节点上依次施加试验载荷，并删除上一步的试验载荷，保持每次只有一个试验载荷进行加载，依此方法生成17个载荷步文件，求解时只需设置载荷步起始数字及步长数，即可顺序读入这些载荷步文件，进行最后求解。

2.3 静力学求解及结果后处理

由于模型中涉及到接触分析，因此打开非线性分析选项进行求解。求解后通过后处理功能，显示模型在相应载荷步时的第一主应力云图，如图3所示，最大主应力值为143MPa。

图3 轮毂有限元分析云图

3 轮毂弯曲疲劳试验寿命估算

轮毂线性静力有限元分析结果是其疲劳寿命估算的依据，运用疲劳理论可实现仿真目的。依据名义应力法与Miner线性累计损伤理论，输入材料的S-N曲线，用疲劳分析软件FE-SAFE进行疲劳模拟，根据静力学分析结果，用雨流计数法对毂进行疲劳寿命预测[7]。

3.1 材料S-N曲线

通过查阅相关疲劳分析文献[6]，目前国内针对疲劳分析大都利用标准试样进行疲劳试验，获得材料S-N曲线，并考虑缺口系数、尺寸系数和表面加工系数对S-N曲线的影响，对其修正从而获得实际零件的S-N曲线。同时在缺乏试验数据情况下，当N在103～1×107之间时，连接疲劳寿命和疲劳强度在双对数坐标上的两点(N≤103，σ1=0.9σb；N=5×107，σ2=0.9σ-1)，即得到零件S-N曲线，如图4所示。

图4 零件S-N曲线

3.2 循环应力载荷历程

根据轮毂在各个载荷步有限元分析结果，分析轮毂危险点的三个主应力和等效应力数据(图5)，由曲线变化趋势可以看出，轮毂危险点处第二主应力在一个循环中，应力水平始终近似等于0，第一主应力和第三主应力在一个循环中对称分布，处于单向应力状态。因此认为轮毂危险点处的应力载荷历程为近似正弦变化，根据轮毂在实际台架上的加载状况，在FE-SAFE中定义载荷历程变化曲线如图6所示。

图5 轮毂危险点应力变化

图6 载荷历程变化曲线

3.3 疲劳寿命理论模型

低压铸造铝合金轮毂多进行有限寿命分析以满足相关国标规定。有限寿命分析不明确区分裂纹的萌生寿命和扩展寿命，多以裂纹萌生寿命或破坏时寿命作为总寿命，并能预测轮毂各部位的对数寿命及失效概率。本文采用第一主应力作为S-N曲线中的应力幅值，并选择Goodman方法对平均应力进行修正，按照相关标准设置轮毂最低循环次数、设定材料的S-N曲线和循环应力载荷时间历程，最后提交计算。

3.4 疲劳寿命估算及后处理

计算所得轮毂对数寿命云图如图7所示，图中疲劳危险位置在螺栓孔与通风口之间以及通风口与通风口之间，两个位置中最低对数寿命作为轮毂的最低循环次数，经过对比，轮毂通风口与通风口之间的对数寿命最低，其值为5.501，换算成循环次数约为31万次，大于设计要求的20万次。

图7 轮毂疲劳寿命云图

4 结论

(1)依据车轮弯曲疲劳试验原理，建立重载车低压铸造铝合金轮毂弯曲疲劳试验有限元模型。结果表明车轮危险部位主要集中于轮毂螺栓孔与通风口之间以及相邻通风口之间，预测结果接近实际工况。

(2)对轮毂进行疲劳寿命预测，仿真结果满足国标 GB/T5909-1995 规定的最低循环次数，说明此方法对轮毂疲劳寿命预测准确。在产品设计初期对其寿命进行预测，可缩短产品开发周期及成本，同时为后期轮毂结构优化提供依据。

[1]钟翠霞,童水光,闫胜暂,等.基于有限元分析的铝合金车轮弯曲疲劳寿命的预测[J].机械设计与制造，2006，(12)：85-87.

[2]王健行,郝艳华,颜伟泽.接触分析在车轮弯曲疲劳有限元分析中的应用[J].机械设计与制造，2012，(8)：58-60.

[3]GUO M. Clamp Load Consideration in Fatigue Life Prediction of a Cast Aluminum Wheel Using Finite Element Analysis[J].SAE,2004,12(4):475-478.

[4]GB/T5909-1995，载货汽车车轮性能要求和试验方法[S].

[5]QC/T 518-1999，汽车用螺纹紧固件拧紧扭矩规范 [S].

[6]曾春华,邹十践.疲劳分析方法及应用[M].北京:国防工业出版社,1991.

[7]Penmetsa Rama Murty Raju .Evaluation of Stress Life of Aluminum Alloy Using Reliability Based Approach [J]. INTERNATIONAL JOURNAL OF PRECISION ENGINEERING AND MANUFACTURING,2012,13(3):395-400.

SimulationAnalysisforBendingFatigueTestingofLowTensionCastingAluminumAlloyAutomotiveWheelsofaHeavyDutyTruck

BIAN Leilei，YUE Fengli

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Finite element model for a wheel of low tension casting for a heavy duty truck,shaft,bolts connection is established by using the finite element analysis method and reasonable loading and boundary conditions are applied to simulate the bending fatigue test. Using FEA software ANSYS,the model is established,contact pairs and related parameters are settled and high stress area and the stress value of the wheel hub circle loading can be got after the testing. The wheel hub fatigue life is estimated through the nominal stress calculation method in the theory of fatigue life and FE-SAFE software estimation system. The fatigue life of the wheel hub has been predicted when it is designed,the result indicates that life of the wheel vent logarithmic is relatively lower,but meets the national standard for minimum cycles.

bending fatigue test;low tension casting wheel hub;FEA;fatigue life

2014-02-26

边雷雷(1988—)，男，硕士研究生；通讯作者：岳峰丽(1970―)，女，副教授，研究方向：汽车现代设计及制造技术.

1003-1251(2014)04-0071-04

U463.343

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赵丽琴)