基于有限元的铝合金汽车轮毂弯曲疲劳研究
2021-09-10王军
王军
摘要：本文简要讨论了铝合金汽车轮毂的相关研究：铝合金轮毂铝合金成型工艺、铝合金轮毂性能分析、增强铝合金轮毂性能途径;以有限元分析形式，探索了铝合金轮毂弯曲应力分布情况：有限元分析方法、铝合金轮毂几何参数、载荷分析、数据模拟、疲劳分析，以期获取铝合金汽车轮毂性能，获取其弯曲疲劳性能，为相关研究提供研究依据。
关键词：载荷;铝合金;成型工艺
中图分类号：O242.21 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）06-0022-02
0 引言
汽车轮毂位于汽车行驶系统中，作为汽车行驶系统中较为关键的组成元素，在符合汽车行驶系统相关性能的基础上，应尽可能地控制汽车轮毂质量。一般工艺方法，难以在维护轮毂安全的同时控制其质量，产品研发周期具有不受控性，生产成本无法获得优化。此外，车轮与各区域地形、地面在相互接触时，将会在时间叠加背景下，承受各类弯矩与载荷的共同影响，对其性能耐久性发起挑战。
1 铝合金汽车轮毂的相关研究
1.1 铝合金轮毂成型工艺
现阶段轮毂成型工艺主要表现为三种形式：第一种形式为铸造轮毂，第二种形式为锻造轮毂，第三种形式为MAT旋压工艺。
第一种成型工艺中可分成重力、低压两种形式。①重力铸造工艺是在铸模中添加铝液自身重力，继而使模具获得填充。重力铸造的成型优势在于：锻造成本较低。重力铸造的成型缺陷在于：锻造期间极易形成瑕疵问题。②低压铸造成型工艺在铸模中添加铝液，在添加期间借助了设备外部压力，便于铝液在特定压力作用下形成凝固状态。铝液在受压情况下，将会形成密度较大、强度较高的结构。
第二种锻造成型工艺在锻压机的辅助作用下，成功对固态铝合金材料增加压力，使其在挤压状态下成型。锻造工艺生产获得的产品，相比铸造产品更具坚固性能、质量更为轻便。
第三种MAT旋压工艺，相比锻造与铸造更具成型优势[1]。
1.2 铝合金轮毂性能分析
汽车生产体系中，关于安全生产的内容，给予了较为标准的规定：即新型轮毂应完成三项性能测试：第一种测试为冲击、第二种测试为径向疲劳、第三种测试为弯曲疲劳。以第三种测试为主，开展轮毂弯曲疲劳性能的相关测试。测试装置以弯曲疲劳性能测定设备为依据，开展性能分析，获取轮毂运行安全性能。结合标准手册内容可知：测定试验需在螺母位置添加115%重力。在此过程中，借助外力提升螺栓与螺母之间形成的协调性。添加重力允许偏差应小于2.5%。
1.3 增强铝合金轮毂性能途径
增强铝合金轮毂性能的途径有两种，第一种途径为固溶，第二种途径为沉淀。
①第一种固溶方法是将有益合金元素融合在铝合金熔融液体中，保障益合金元素数量的充足性。在加工处理的基础上，便于有益合金元素能够处于固溶体，以此借助固溶强化，增强铝合金轮毂性能。
②第二种沉淀方法是在高温条件下，综合开展热处理程序，在短时间内迅速完成温度下调，在低温状态下维持温度一段时间，以此提升合金提取相的能力，加强合金应力调整，以此提升合金性能。由此发现：沉淀方法在增强轮毂性能时，将会受到温度条件的影响。
2 有限元分析铝合金轮毂弯曲应力分布情况
2.1 有限元分析方法
有限元分析方法的关键在于：离散处理，将研究主体有效划分成若干小单元，逐一开展研究活动;继而添加较为适宜的条件、载荷等因素，便于获得研究内容。结合虚功理念，有效确定单元刚度矩阵，科学获取等效节点;再结合理论力学相关平衡思想，加强结构体节点形成位移与载荷关系分析，完成矩阵搭建;在矩阵联合期间获取节点位移范围。通常较为复杂的问题，均可借助有限元方法予以分析。
2.2 铝合金轮毂几何参数
在有限元分析时，汽车轮毂材料为铝合金，规格为A356。材料属性如表1所示，材料力學性能如表2所示，三维分析模型为图1所示。
2.3 载荷分析
测定轮毂弯曲疲劳性能期间，假设轮毂结构承受的力包括：螺栓预紧力、旋转离心力、弯矩。螺栓应力作用于螺栓孔位置时，称之为螺栓预紧力，此作用力将会在轮毂螺栓口周边产生作用，具有内力性质，轮毂其他位置将不会受到此种应力的影响[2]。为此，开展螺栓预紧力优化处理方式，以微型车配置车轮为实体，结合实体相关弯曲疲劳试验标准，计算轮毂能够承受的荷载最大值，具体计算方式为：①Fmax=■;关系式①中，汽车自身质量为W，结合汽车实际运行情况，n取值为1.21，G表示汽车最大能够承受的负荷值。汽车性能参数，具体表现为：整体质量为W=1260千克，载荷饱和承受量为L=2000千克，G的计算方式为9.8×L，计算结果为12348牛。结合公式①获得轮毂能够承受的荷载最大值为8247牛。
公式②M=（r×u+d）×F×S。在关系式②中：求解的是M力矩;u表示在汽车实际运行期间，地面与汽车两个主体之间形成的摩擦系数，此数值为0.7;r表示的是静负荷半径，具体取值为0.35;d表示的是轮毂偏径，具体取值为0.034;F表示轮毂运行能够承受的荷载最大值，此参数为其赋值为8565牛;S表示的是行车安全系数，赋值为1.61。结合公式②、参数赋值情况，获得M计算结果约为3837牛。
由于汽车轮毂曲面立体结构具有繁杂性，为此汽车轮毂在增加负载时，受力分布不具有分析便利。为提升轮毂性能分析效果，将轮毂弯曲受力的F予以细分，将其从x、y两个方面予以分解，x方向的分解力表示为Fx=sinwt×F，y方向分解力表示为Fy=coswt×F，其中t表示的受力时间，此数值具有动态变化特征，w表示的是车轮转动期间形成的角速度。
2.4 数据模拟
开展数据模拟分析，在分析软件中导入各类数据，导入的数据包括：铝合金材质、弹性模量、泊松比、材料密度等，将表1中A356铝合金材料各项属性完整导入。此外，轮毂曲面模型具有复杂性，在开展精准分析期间，划分主体为网格，划分方式为单元划分法。单元划分法能够保障划分期间，对分析主体具有针对性，减少客观因素对分析过程产生影响。Solid186单元划分法，其划分依据是结合模型曲面存在的差异性，将其有效划分为三棱柱、四面体单元等，以此缓解外观不规则模型的划分问题，提升网格划分效果[3]。單元划分完成时，节点数共计149458，单元数有85101，由此获得有限元模型。在数据模拟期间，在轮毂两个侧面圆端位置，添加具有固定性质的约束力，在轴远端完成集中力载荷的添加，以此完成弯曲状态时荷载受力分布的模拟试验。
2.5 疲劳分析
①轮毂在较为繁杂应力承受的情况下，结合第四强度理论中关于米塞斯应力的相关内容，完成轮毂在x、y两个方向实际承受载荷力的性能模拟，获取等效应力分布分析结果。等效应力分布的分析结果为：1）在y方向等效应力的最大值情况为：轴轮位置应力分析结果分别为151.2MPa、152.0MPa。分析数据显示情况为：均值为75%。2）在x方向等效应力最大值分别为151.3MPa、147.4MPa。分析数据显示情况为：均值为75%。由此确定在x、y两个方向，轮毂承受的最大应力为152.0MPa。
②开展轮毂现场试运行测试，设定20万转相条件，开展弯曲疲劳性能测试，获得性能分析结果，具体表现为：轮毂正面、背面未表现出较为明显的疲劳损坏问题;轴、轮毂相连位置表现出轻微受损情况;轮辐周边轮芯位置具有性能受损趋势。
③由仿真分析可知：轮毂承受等效应力最大值为152
MPa，结合表2中σ2=204MPa发现，等效应力最大值不大于材料在循环期间屈服性能，符合力学分析对轮毂疲劳强度的需求;204-152=52MPa，此数值将作为轮毂应力承受的余量，与实际测量结果具有一致性。
④疲劳工具的结合使用，获得轮毂运行周期与安全情况：1）轮毂使用周期预测结果：le6最大值，经软件分析计算获得轮毂寿命周期为98911min，即1649小时，大约合计为69天。2）轮毂安全系数为：15max、10、5、0.622、0。安全系数分别测定的是轮毂半径、过渡圆角、轮辐、轮芯位置、轴与轮毂相连位置。在此期间，轴与轮毂相连位置安全系数为0，其次是轮芯位置。3）针对轮芯位置受损问题，采取过渡圆角半径优化措施，由原有30mm设计，优化为55mm设计，提升过渡位置平缓效果，加强轮毂结构优化效果。4）针对轴与轮毂相连位置安全系数较低的问题，应加强连接位置性能，减少轮毂发生弯曲疲劳问题。
⑤疲劳分析讨论：借助各项数据发现，轮毂大多数位置表现为le6循环可见。安全系数最低的区域在轴与轮毂两者之间的连接位置，此分析结果较为精准[4]。为此，在开展轮毂弯曲疲劳防护工作时，应结合安全系数分布情况，具体开展具有针对性的性能提升工作，以此保障轮毂使用性能，减少弯曲疲劳问题带来的轮毂性能欠佳现象，维护轮毂运行能力，发挥有限元分析结果应用的内在价值。
3 结论
①轮毂承受应力最大值为152MPa，此应力不大于材料循环体系中形成的屈服强度204MPa。针对轮毂开展的弯曲疲劳测定，顺应相关工艺的具体标准。②轮毂安全性能最小值，发生于轴、轮毂相连位置，应加强连接位置性能。应力集中分布在轮辐周边轮芯位置，此位置作为应力承受较大区域。在长时间载荷作用下，形成性能受损问题。针对此处问题，采取过渡圆角半径优化措施，由原有30mm设计，优化为55mm设计，提升过渡位置平缓效果，加强轮毂结构优化效果。
参考文献：
[1]童寒川，夏伟.铝合金轮毂弯曲性能有限元分析[J].汽车实用技术，2019（23）：132-134.
[2]焦洪宇，夏叶，赵荣，范丽颖.基于ANSYS Workbench的汽车铝合金轮毂弯曲疲劳强度有限元分析[J].汽车实用技术，2018（22）：40-42.
[3]韦洲，张晓光，徐洪琛.基于有限元的铝合金汽车轮毂弯曲疲劳分析[J].铸造技术，2018，39（10）：2413-2416.
