（机械设计及理论专业论文）计及成形因素预测汽车钢圈多轴疲劳寿命的研究.pdf

计及成形因素预测汽车钢圈多轴疲劳寿命的研究 摘要 动态弯曲疲劳寿命是汽车钢圈重要的性能指标，目前其预测方法仍局 限于名义应力法和局部应力应变法。学者们多年的研究取得了一定成果， 对预测汽车钢圈的疲劳寿命起了较为重要的作用。但这些方法均未考虑成 形工艺过程所导致的厚度分布不均和残余应力对疲劳寿命的影响，并且大 多忽略了钢圈表面的多轴应力状态，所得结果与实际情况存在较大差距， 难以真正应用于工程实际。因此，考虑成形工艺因素影响，研究汽车钢圈 多轴疲劳寿命的预测是一种新的途径。 本文针对钢圈结构和工况特点，从冷冲压成形工艺角度出发，采用增 量法成形数值模拟和网格信息映射技术，结合多轴疲劳损伤模型和有限元 分析方法，探讨了集成冲压成形数值模拟、有限元分析的多轴疲劳寿命预 测方法，较准确地实现了对钢圈疲劳寿命的预测。该方法旨在钢圈结构分 析之前，对钢圈由成形过程引起的残余应力和厚度分布不均进行预分析， 并将预分析结果引入结构分析和多轴疲劳寿命预测中，以获得更加真实可 靠的分析和预测结果。主要包括以下几方面工作： 1 、采用增量法的成形数值模拟轮辐的多工步冲压成形工艺过程，根据 成形极限图( f l d ) 和厚度减薄率所预示出的缺陷，给出工艺改进方案，解 决轮辐在反拉深成形过程中被拉裂的问题，降低成形厚度减薄率，改善成 形性能，为轮辐成形工艺的制定和模具的设计提供可靠指导。 t 2 、考虑成形因素对结构性能的影响，关键问题之一是如何将成形数值 模拟结果引入结构分析中。采用网格信息映射技术，结合a n s y s 参数化设 计语言a p d l 和m a t l a b 编程，解决d y n a f o r m 和a n s y s 之间数据交 换问题，实现成形数值模拟和结构有限元分析的有机结合。根据钢圈的弯 曲疲劳试验，建立结构有限元分析模型，着重研究成形残余应力和厚度变 化对钢圈强度、刚度的影响。 3 、围绕钢圈的疲劳寿命预测问题，通过对关键点应力应变数据的提取 和计算，确定其处于多轴应力状态；基于多轴疲劳损伤平面概念，确定关 键点临界平面方向及该平面上的剪应变、法向应变历程，应用b r o w n m i l l e r 多轴疲劳损伤模型进行寿命评估，探讨各成形因素对多轴疲劳寿命的影响。 4 、通过n 1 型钢圈的动态弯曲疲劳试验，验证本文引入成形工艺因素 预测汽车钢圈多轴疲劳寿命的有效性。 关键词：汽车钢圈增量法成形结构分析网格映射疲劳分析多轴疲劳 n r e s e a r c ho nm u i r i a a ll 哈t i g u ep r e d i c t i o no f s t e e lw h e e lc o n s i d e r i n gf o r m i n ge f f e c t s a b s t r a c t d y n a m i cb e n d i n gf a t i g u el i f ei s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c e i n d e x e sf o ra u t o m o t i v ew h e e l a t p r e s e n t ，t h ef a t i g u el i f ep r e d i c t i o nm e t h o d sa r e s t i l lb a s e do nn o m i n a ls t r e s sa p p r o a c ho rl o c a ls t r e s s s t r a i na p p r o a c h h o w e v e r , t h e s em e t h o d sh a v en o tc o n s i d e r e dt h ee f f e c t so ff o r m i n gp r o c e s s ，a n dm o s t l y i g n o r e dt h em u l t i - a x i a ls t r e s ss t a t ea tt h es u r f a c e ，w h i c hm a k et h ea n a l y s i sr e s u l t i n c o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a la n dd i f f i c u l tt ob ea p p l i e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nt h em u l t i - 。a x i a lf a t i g u el i f ep r e d i c t i o no fa u t o m o t i v e w h e e lc o n s i d e r i n gt h ef o r m i n ge f f e c t si so n ek i n do fn e w w a y a d o p t i n gi n c r e m e n t a lf o r m i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d 面dm a p p i n g t e c h n o l o g y , c o m b i n e dw i t hm u l t i a x i a lf a t i g u ed a m a g em o d e la n df e am e t h o d ， t h em u l t i - a x i a lf a t i g u el i f e p r e d i c t i o nm e t h o d i sd i s c u s s e di n t h i s p a p e r , a c c u r a t e l yp r e d i c t i n gf a t i g u el i f ef o rt h ea u t o m o t i v ew h e e l t h i sm e t h o da i m st o p r e a n a l y z e t h er e s i d u a ls t r e s sa n dt h i c k n e s sv a r i a t i o nc a u s e db yf o r m i n g p r o c e s sb e f o r ew h e e ls t r u c t u r ea n a l y s i s ，a n di n t r o d u c e st h ep r e a n a l y s i sr e s u l t s t os t r u c t u r ea n a l y s i sa n df a t i g u el i f ep r e d i c t i o nt oo b t a i nm o r er e l i a b l ea n a l y s i s a n d p r e d i c t i o nr e s u l t s m a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t sw o r k ： 1 、t h em u l t i s t e pf o r m i n gp r o c e s so ft h ew h e e lw a s n u m e r i c a l l y s i m u l a t e d n i a d o p t i n gi n c r e m e n t a la p p r o a c h ，a n dt h ed r a w i n gp r o c e s sw a si m p r o v e dt os o l v e t h ec r a c kp r o b l e md u r i n gt h ei n v e r s e - d r a w i n gp r o c e s s ，r e d u c i n gt h et h i c k n e s s t h i n n i n gr a t e ，i m p r o v i n gt h ef o r m a b i l i t ya n dp r o v i d i n gr e l i a b l eg u i d a n c ef o rt h e m a k i n go ff o r m i n gp r o c e s sa n dd e s i g n i n go fm o u l d 2 、o n ek e yp r o b l e mi ns t r u c t u r ea n a l y s i sc o n s i d e r i n gt h ef o r m i n ge f f e c t si s h o wt oi n t r o d u c et h ef o r m i n gr e s u l t si n t os t r u c t u r ea n a l y s i s i nt h i sp a p e r , t h e m a p p i n gm e t h o da n da n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ( a p d l ) w e r e a d o p t e dt os o l v et h ed a t ae x c h a n g ep r o b l e mb e t w e e nd y n a f o r ma n da n s y s ， r e a l i z i n gt h eo r g a n i cc o m b i n a t i o no fs t r u c t u r a lf e aa n df o r m i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o n t h es t r u c t u r ef e am o d e lw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h eb e n d f a t i g u et e s t ，a n dt h ee f f e c t so ff o r m i n gr e s i d u a ls t r e s sa n dt h i c k n e s sv a r i a t i o no n t h ew h e e ls t r e n g t ha n ds t i f f n e s sw e r er e s e a r c h e d 3 、a b o u tt h ep r o b l e mo f f a t i g u el i f ep r e d i c t i o n ，t h em u l t i a x i a ls t r e s ss t a t ei s d e t e r m i n e da to n ek e yp o i n t b a s e do nt h ec o n c e p to fm u l t i - a x i a lf a t i g u ed a m a g e p l a n e ，t h ed i r e c t i o no ft h ec r i t i c a lp l a n ew a sd e t e r m i n e da n dt h es h e a rs t r a i na n d n o r m a ls t r a i nh i s t o r yo nt h ep l a n ew a s o b t a i n e d ，t h em u l t i a x i a lf a t i g u em o d e lo f b r o w n - m i l l e rw a s a d o p t e dt op r e d i c tt h ef a t i g u el i f ea n dt h ee f f e c t so ff o r m i n g p r o c e s so nm u l t i a x i a lf a t i g u ew a sd i s c u s s e d 4 、t h r o u g hd y n a m i cb e n d i n gf a t i g u et e s to fn 1t y p ew h e e l ，v e r i f y i n gt h e e f f e c t i v e n e s so f p r e d i c t i n gm u l t i a x i a lf a t i g u el i f ec o n s i d e r i n gf o r m i n ge f f e c t s k e y w o r d s ：a u t o m o t i v ew h e e l ；i n c r e m e n t a lf o r m i n g ；s t r u c t u r ea n a l y s i s ； m a p p i n ga l g o r i t h m ；f a t i g u ea n a l y s i s ；m u l t i a x i a lf a t i g u e i v 计及成形因曩妇甄测汽车钢囡多轴痨“旁习i 命的研究 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 近几年，世界汽车产量保持在5 5 0 0 万- 6 5 0 0 万之间，以2 0 0 4 年为例，全世界汽车 总产量为6 4 1 6 5 2 5 5 辆，比上年增长了5 8 ，按汽车总产量及钢圈和铝制车轮的配置情 况粗略估算，全球汽车的o e m 车轮配套量大概为3 4 亿只，市场价值达到8 0 亿美元【1 1 。 汽车产业已成为我国支柱产业，伴随着汽车数量的飞速增长，对车轮的需求也在不断增 加，仅2 0 0 7 年，我国铝制车轮产量为4 7 2 8 万只，钢圈产量也达到3 1 5 2 万只 2 1 。 汽车钢圈作为连接与地面接触的轮胎和车身的联接装置，在汽车的行驶过程中起着 传递力和力矩的作用，其性能的好坏对汽车的可靠性有很大影响，并直接关系到驾驶人 员的生命安全。资料表明，汽车钢圈在使用过程中主要以疲劳破坏为主，因此，钢圈的 疲劳性能是其重要的质量指标 3 1 ，根据国家标准关于汽车车轮的规定及国外相关标准 s a e 、i s o 、j a s o 等规定，车轮的疲劳性能主要通过动态弯曲疲劳试验和径向疲劳试验 来测试，而两者之中，又以动态弯曲疲劳试验的失效率为最高。因此为了保证钢圈的疲 劳性能，需对其进行动态弯曲疲劳台架试验，以检验其疲劳寿命是否达到指定的要求。 然而弯曲疲劳台架试验一般需要耗费很长的时间，一次疲劳台架试验平均花费的时间达 到1 6 5 个机台时，大概相当于七天三班倒的试验工作量 4 1 ，一旦样品的疲劳试验达不到 规定的要求，则需重新设计钢圈结构，并重复模具设计样品制造疲劳测试等过程， 其设计周期长、成本高。如能在产品的设计初期阶段预测其疲劳寿命，则可很大程度的 缩短设计周期，减少成本，提高竞争力。因此，钢圈结构的疲劳寿命预测具有重要意义。 现代计算机辅助工程( c a e ) 设计，为结构疲劳寿命的预测提供了一种有效的工具， 并且c a e 分析结果的精度和可靠性随着有限元方法( f e m ) 的成熟有了很大的提高。 目前，在产品的研发过程中，c a e 技术被全球很多汽车公司采用，并广泛应用于汽车各 零部件的研发上，如机构运动分析、刚度、强度分析等。而通过结构的碰撞仿真分析、 板料的冲压成形数值模拟、疲劳耐久性等工程分析，可以在产品的设计阶段提出改进方 案并获得优化设计结果。疲劳耐久性c a e 作为计算机辅助汽车结构设计的一个重要方 面，主要是基于有限元分析结果，并结合材料性能参数和所承受载荷的变化历程，运用 计反成形因素预测汽车钢圈多轴螬苈：争命的研究 相关的疲劳损伤理论以对结构的疲劳寿命进行预测。与传统的基于试验的疲劳寿命分析 相比，基于c a e 的疲劳分析能够在结构的设计阶段判断疲劳寿命的薄弱部位，从而预 先避免设计过程中不合理的寿命分布【5 】。因此，它能极大缩短产品开发周期、减少试验 样机的数量、降低研发成本。 本文所研究对象的钢圈，为广西某钢圈厂采用s a p h 4 4 0 材料经过冷冲压成形工艺 制造，虽然其具有批量生产成本低、生产效率高、产品互换性好等诸多优点，但冲压成 形的过程会改变材料的机械性能、导致冲压件的厚度发生变化、以及在冲压件的结构内 引起不同程度的残余应力。有学者做过研究，发现在经过冲压成形后，板料都有不同程 度的材料堆积和减薄，某些局部甚至高达3 0 以上【q ；对部分从成形件上拉延量较大的 部位切割下来的试件做硬度试验，发现其洛氏硬度相比冲压前提高了很多。因此，成形 工艺因素会对结构的强度、刚度及疲劳性能带来严重影响【7 1 。然而，常规的钢圈结构性 能分析和疲劳耐久性分析，均未考虑这些因素的影响：材料的性能参数取自冲压件变形 以前原始坯料的参数，冲压件的厚度设为一常数，并且假设残余应力不存在。这与实际 情况不符，会导致分析结果与真实情况产生较大误差，甚至可能造成分析结果无效【8 9 1 。 同时，由于钢圈结构承受旋转弯矩载荷作用，并且其几何形状比较复杂，导致钢圈表面 处于多轴应力状态【l o 】，而大多学者在做分析时往往将其忽略掉了。 鉴于以上事实，本文主要研究将轮辐的多工步冲压成形结果引入钢圈结构分析和疲 劳寿命评估中，并充分考虑钢圈的多轴应力对疲劳性能的影响。着重在钢圈结构有限元 分析前，对钢圈由冲压成形过程所导致的残余应力和厚度分布不均进行预分析，并将预 分析结果引入结构分析和多轴疲劳寿命预测中，以获得更加真实可靠的分析和预测结 果，为钢圈结构的优化提供更具真实意义的参考数据。 本课题来源于广西科学基金资助项目：基于材料性能不均匀性的汽车钢圈疲劳寿命 预测新方法研究( 桂科自0 8 3 2 0 3 0 ) 。 1 2 文献综述 1 2 1 车轮结构疲劳强度研究 由于钢圈结构的复杂性及其在服役过程中受力的多样性，目前仍没有统一的解析数 学或力学方法对其进行描述，因此钢圈的结构性能分析大多采用经验法，基于传统的材 料力学公式进行计算。七十年代初诞生的有限元方法为结构分析提供了一种有效手段， 2 计反成形因曩叼页澶9 汽车钢圈多轴疲劳寿命的研究 伴随着计算机软、硬件的提升和有限元方法的成熟，各国学者采用有限元方法( f e m ) 对车轮结构进行了疲劳强度分析。 1 2 1 1 国外研究 k o r t i s h i 1 1 , 1 2 】尝试对多个不同尺寸车轮的冲击强度进行了参数化研究，研究发现车轮 失效时的冲击强度决定于轮缘处的厚度和轮辐的刚度，为验证这一趋势，他采用铸造铝 合金车轮进行了试验，并研究了车轮厚度对冲击强度的影响，结果表明轮辋厚度和辐条 之间的距离直接影响车轮的抗弯刚度。他还进一步对多个公制尺寸大小的钢圈进行了验 证，并采用工程分析软件a b a q u s 进行了有限元分析，发现两者吻合较好，应力集中 于车轮的轮辐部位，并且在这些部位裂纹开始形成。 r e i p e r t l l 3 】和m i z o g u e h i 1 4 1 为使疲劳设计更为合理，采用c a e 软件n a s t r a n 对铝 合金车轮5 4 5 4 进行了一系列有限元分析，研究发现，车轮的性能表现为轮辋和轮辐板 厚度的函数，并且应力和疲劳寿命的理论分析结果与动态弯曲疲劳试验结果吻合较好。 f e r r e i r a t l 5 1 在有限元仿真分析系统a l g o r 中，采用八节点砖块单元对1 3 x 5 型车轮 进行有限元建模，鉴于车轮的对称性，他采用了四分之一车轮进行了建模，并给模型 加载实际旋转台架试验中的载荷及施加固定的对称边界条件。在对模型进行了多次仿 真和改进后，使得车轮具有了较高的安全裕度，达到了最低寿命要求的2 3 2 0 0 0 0 周循 环，在疲劳测试中表现出色。 1 趾a k a 【1 6 】研究了汽车行进过程中、车轮在循环弯矩载荷作用下的疲劳强度，发现车 轮的强度受所设计的车轮形状影响较大，疲劳裂纹萌生的危险部位随着几何形状的改 变而不一致，并采取了典型形状的车轮进行了疲劳试验测试。 m o r i t a 1 7 】通过采用三维有限元建模分析，详细描述了车轮在旋转弯矩疲劳测试中的 应力分布，同时确定了该载荷作用下的扰度、应力分布和应力幅值，计算结果与测试 结果吻合较好。通过数值分析，他们进一步研究了轮辐厚度、半径及轮辋厚度等设计 参数对应力幅值的影响。在此之后，采用有限元分析预测应力的方法成为设计新的高 性能车轮的一种有效的工具。 i s h i h a r a 1 8 】采用三维有限元方法，发展了一种严格而定量的预测车轮在受载情况下 应力大小的方法，并根据对车轮上应变片的测量，提出了一种计算施加载荷大小的方 法。根据提出的方法，他采用二分之一对称模型进行计算，结果与实际应力分布比较 接近，并且获得了特征应力值的变化历程。 土耳其的h a k b u l u t 1 9 】采用有限元方法对车轮进行了弹塑性分析，首先找到了车轮 3 计及成形因叼蚤测汽车钢圈多轴疲劳习 命的研究 破坏的危险区域，进而根据弹塑性有限元分析结果对车轮的厚度进行了优化。根据车轮 的对称性，他采用了四分之一车轮进行分析，在有限元分析中，采用八节点六面体实体 单元划分网格，并且模型中包含了十二种不同的网格。最后将理论计算结果与试验结果 作了比较，发现计算结果与试验结果吻合的比较好。 1 2 1 2 国内研究 国内也有不少学者在车轮的结构性能分析和疲劳分析方面做了研究。 南京理工大学的王良模等人【2 0 】首先运用有限元分析软件a b a q u s ，对某车轮的旋 转弯曲疲劳试验进行了数值模拟，获得应力集中点和最大应力值；然后根据名义应力法 确定了车轮的s - n 曲线，并将由应力集中点的应力幅值和平均应力计算得到的等效应力 幅值代入s - n 曲线，预测了该车轮的疲劳寿命；最后进行了旋转弯曲疲劳试验，验证了 仿真分析结果，结果表明采用名义应力法可以较好预测车轮的疲劳寿命。 东北大学的王新刚等人1 2 1 】根据实测数据和有限元分析结果，运用损伤线性累积准则 和m o n t e c a r l o 方法，在随机载荷和等幅载荷同时作用下，对车轮进行了疲劳寿命预测， 获得了车轮可靠度随路况变化的关系曲线，在安全性维护方面给火车提供了理论方面的 依据，对火车的安全运行有着较强的实用价值。 江苏大学的周堑等人田j 运用u g 三维建模软件和a n s y s 有限元分析软件建立了车 轮的弯曲疲劳试验有限元模型，他们考虑了螺栓预紧力、旋转离心力和试验弯矩对车轮 强度的影响，获得了车轮的应力、应变分布及应力集中部位。 江苏大学的韩兵等人【2 3 】采用a n s y s 软件建立了2 2 x 8 5 j j 车轮疲劳试验有限元模 型，并在仿真分析中考虑螺栓预紧和多个面接触的影响，他们采用2 4 个载荷步模拟了 车轮旋转一周的受力过程，并结合临界平面准则预测了车轮的疲劳寿命，研究发现，在 轮辐根部的连接部位较容易发生疲劳破坏。 浙江大学的张响等人踟运用i - d e a s 软件对1 6 x 6 5 j 车轮弯曲试验进行了有限元建 模和静力分析，并分别应用名义应力法、局部应力应变法、m a n s o n c o f f i n 和 s i m t h w a s t o n - t o p p e r 公式对该车轮的动态弯曲疲劳试验寿命进行了预测，结果表明，采 用s i m t h w a s t o n t o p p e r 方法预测的疲劳寿命结果与试验寿命更吻合。 浙江大学的闫胜昝等人【2 5 】采用有限元方法，分析了车轮在螺栓预紧力、离心力和试 验弯矩作用下的应力分布情况，获得了车轮的应力集中点，并对危险点进行了静态和旋 转一周的试验应力分析，结果发现，在车轮结构的应力分析中可以忽略离心力的影响， 车轮结构的各点在旋转弯曲疲劳试验中承受的应力是非对称循环的。 4 计及成形因曩 ，甄测汽车钢圈多轴疲劳寿命的研究 哈尔滨工业大学的崔胜民等人【2 6 l 根据所建立的车轮受力危险点处的疲劳寿命曲线， 以车轮的有限元分析数据和弯曲疲劳试验测得数据作为基本参数，在等幅载荷及载荷谱 作用下，分别采用名义应力法及局部应力应变法的莫罗修正公式和史密斯修正公式对 1 4 x 5 5 j 车轮进行疲劳寿命预测，并运用可靠性理论对所预测的疲劳寿命进行了可靠度 分析，结果表明，在车轮疲劳寿命预测中，具有较高可靠性的是名义应力法和史密斯修 正公式。 哈尔滨工业大学的杨占春等人【2 7 】根据疲劳寿命预测理论，改进了史密斯公式，该公 式中包含了影响高周疲劳寿命的因素，他们以有限元分析所得应力值作为基本参数，载 荷谱采用l b f 研究所的八级载荷谱，运用所改进的史密斯公式来预测车轮的疲劳寿命， 最后以弯曲疲劳试验结果验证了该方法的可靠性。 1 2 2 冲压成形过程对结构分析影响研究 成形的过程会使材料的机械性能发生改变、冲压件的厚度减薄以及引起不同程度的 残余应力，这些因素对钢圈结构的强度、刚度及疲劳性能带来严重影响，关于成形因素 对结构性能分析的影响，国内外已有学者做了相关的研究工作。 1 2 2 1 国外研究现状 美国通用汽车公司的c 1 l i m o un i 等人【2 8 】最早提出了在冲压零部件的结构设计和分 析中引入冲压成形因素的思想，他们考虑了冲压件成形后的残余应力和厚度减薄对结构 应力分析的影响，并提出了一种在结构分析中集成冲压成形结果的并行工程分析方法。 菲亚特汽车公司的e v a l e n t 等人【2 9 】为研究冲压成形效应对结构静强度特性影响，以 t 型冲压件作为研究对象，结果发现常规的未考虑成形过程所导致的厚度减薄因素而计 算出来的弯曲刚度比实际高出1 0 左右。 韩国高等科技大学的h u h h 等人为研究成形因素对结构碰撞性能的影响，采用前纵 梁和s 型梁等典型零部件进行了仿真计算和实验对比【3 2 】，结果发现，在碰撞仿真分析 中，如果不考虑冲压成形因素的影响，则可能会引起2 0 的计算误差。 z d u r o n 等人采用l s d y n a 软件同时进行了纵梁的液压冲压成形模拟及引入成形 结果的动态碰撞性能仿真分析1 3 3 1 ，他们研究了纵梁成形后的几何形状变形、厚度变化、 塑性应变、残余应力等成形结果对分析的影响，研究发现，考虑与不考虑这些成形结果 所获得的轴向碰撞模型和刚性墙位移有显著的不同，并且考虑了成形塑性应变后的最大 刚性墙位移减d , t5 4 。此外，他们还分析了结构件成形结果对汽车整车碰撞模拟结果 计及成形因曩h 更测汽车钢圈多轴妇u 旁习；命的研究 的影响跚，首先采用一步逆成形软件f a s tf o r m 3 d 对十四块中等大小的面板进行了 成形模拟，之后将所有面板的成形结果导入到碰撞模型中，在l s d y n a 中进行碰撞模 拟仿真，并且比较了两者的分析结果。 o l i v e r i a 等人研究了铝合金管道的弯曲工艺成形结果对s 型轨道的动态冲击性能的 影响【3 5 】，研究发现，考虑这些成形因素后，s 型轨道承受的动态冲击力峰值和吸能的能 力分别提高了2 5 3 0 和1 8 。 2 0 0 8 年，w a n g 等人【3 6 】针对冲压成形模拟和结构有限元分析在不同的软件中进行并 且它们之间数据不能相互兼容和集成，提出了采用修改数据格式的方法，以将冲压成形 结果数据集成到发动机支架的有限元疲劳预测中去，他们分别采用了等厚度壳单元、非 等厚度壳单元( 包含了成形结果) 和实体单元对管状支架的疲劳分析进行了仿真，通过 对仿真和试验的比较发现，考虑冲压效应能极大的提高疲劳寿命的预测值，并且能提高 疲劳预测的准确度。 2 0 0 9 年，土耳其的r e c e p 等人【3 7 】采用数值模拟仿真方法，研究了直薄壁顶帽的拉 深成形工艺过程对其轴向准静态碰撞性能的影响，他们将拉深成形工艺所产生的塑性应 变、残余应力和厚度变化分布转移到碰撞仿真模型，因此该模型同时包含有变形网格和 名义网格，并且考虑了薄壁顶帽成形后的回弹过程对碰撞性能的影响。拉深成形数值模 拟和碰撞仿真都是在非线性动力显式有限元软件l s d y n a 中完成的。研究发现成形结 果和回弹过程对该顶帽的碰撞影响显著：只采用名义网格而没考虑成形因素的模型碰撞 吸能的能力较考虑这些因素而得到的结果少了1 0 ，碰撞力的峰值小了5 。 1 2 2 2 国内研究现状 湖南大学的廖代辉等人【3 8 1 以某车尾端横梁为例，采用有限元网格映射算法，将成形 信息引入疲劳有限元分析中，将成形后的残余应力作为结构受到的外载荷进行施加，结 合平均应力修正法，研究了成形因素对车身结构疲劳寿命的影响。他们还以某汽车尾端 横梁为例【3 9 1 ，考虑冲压成形因素的影响，将成形残余应力等效为平均应力，采用基于有 限元分析结果的疲劳分析方法，进行了结构的动态应力计算和疲劳寿命预测，所预测的 疲劳性能与试验结果接近。 上海交通大学的范瑞麟等人采用网格信息映射技术，将板料成形后的厚度和应变 信息映射到结构有限元分析模型，探讨了考虑成形历史的冲压件结构性能分析方法，并 以s 型轨道为例，对其进行静力计算、模态分析及冲击仿真，比较了成形结果对冲压件 结构性能的影响。 6 广西大学蟠受士掌位论文计反成形因素预测汽车钢圈多轴疲劳习- 命的研究 湖南大学的韩召良等人【4 1 】某载货汽车驾驶室上横梁内板为例，分别采用常规分析方 法和考虑冲压成形过程板料厚度变化因素影响的方法，研究了成形过程引起的板料厚度 变化对结构疲劳性能的影响，结果表明板料减薄对构件的应力影响不大，而对其疲劳寿 命影响显著。 吉林大学的甘维银【4 2 1 通过编写的f o r t r a n 子程序，将冲压成形模型的节点厚度、 单元应力映射到实际构件模型，实现了一步成形模拟和m s c f i n i t e 疲劳模拟相结合的 虚拟疲劳分析。 大连理工大学的闰庆伟【4 3 1 以一步成形模拟软件系统k m a s 作为预处理，基于 c o m x 平台编写了引入成形因素的程序组件，实现了将一步逆成形数值模拟和结构有限 元分析联合的仿真分析。 吉林大学的扈跃萌】选取典型车身构件为例，将冲压数值模拟和结构有限元分析相 结合，分别考虑了构件成形过程中产生的厚度变化和预变形量对疲劳性能的影响。 1 3 本文的主要内容 钢圈轮辐经过冷冲压成形工艺制造，成形的过程会使材料的机械性能发生改变、冲 压件的厚度减薄以及引起不同程度的残余应力，这些因素对钢圈结构的刚度、强度及疲 劳性能带来严重影响。本文针对钢圈结构和工况特点，从冷冲压成形工艺角度出发，采 用增量法成形数值模拟和网格信息映射技术，结合多轴疲劳损伤模型和有限元分析方 法，探讨了集成冲压成形数值模拟、有限元分析的多轴疲劳寿命预测方法，较准确地实 现了对钢圈疲劳寿命的预测。主要研究内容如下： 第一章介绍了本文的研究背景及意义，综述了车轮强度分析及有关冲压成形过程对 结构分析影响的国内国外研究现状，并简要叙述本文的研究内容。 第二章采用基于增量法的成形数值模拟，对轮辐的拉深、反拉深双工步冲压成形工 艺过程进行了仿真；根据仿真结果和成形极限图( f l d ) 所预示出的轮辐在成形过程中 出现的缺陷，改进了轮辐预拉深成形工艺，解决了轮辐在反拉深成形过程中被拉裂的问 题，降低了成形厚度减薄率，改善了成形性能。通过实际生产所得到的合格产品实物， 验证了该改进工艺的合理性和多工步成形过程数值模拟的有效性。最后获得成形后的厚 度分布和应力分布，为接下来考虑冲压成形工艺因素对结构分析的影响做好准备。 第三章运用网格信息映射技术，结合a n s y s 参数化设计语言a p d l 和m a ：几a b 7 计及成形因素预测汽车钢圈多轴疲劳寿命的研究 编程，解决了d y n a f o r m 和a n s y s 之间数据交换问题，实现了成形数值模拟和结构 有限元分析的有机结合。根据钢圈的弯曲疲劳试验，建立了结构有限元分析模型，着重 研究了成形残余应力和厚度变化对钢圈强度、刚度的影响。通过建立瞬态载荷函数，模 拟了钢圈承受旋转弯矩作用的情况，得出了钢圈在旋转弯矩作用下的应力分布，分析比 较了成形因素对最大等效应力和等效应力历史的影响。 第四章围绕钢圈的疲劳寿命预测问题，通过对钢圈实际破坏部位关键点应力应变数 据的提取和计算，确定其处于多轴应力状态，且在转动过程中承受双向拉伸压缩应力 循环。基于多轴疲劳损伤平面概念，确定了关键点临界平面方向及该平面上的剪应变、 法向应变历程，应用b r o w n - m i l l e r 多轴疲劳损伤模型进行了寿命评估，分析比较了各成 形因素对多轴疲劳寿命的影响。并根据钢圈各点的载荷历程，结合材料的性能参数，采 用b r o w n m i l l e r 多轴疲劳模型，进行了多轴疲劳c a e 分析，给出了钢圈结构表面的疲 劳寿命分布，进一步分析比较了成形因素对疲劳寿命的影响。 第五章通过n 1 型钢圈的动态弯曲疲劳试验，验证了本文引入成形工艺因素的钢圈 结构有限元分析的合理性和多轴疲劳寿命预测的有效性。 第六章对全文的工作进行总结，并指出进一步的研究方向。 计及成形因素预测汽奉钢圈多轴姻u 旁习；命的研究 第二章多工步冲压成形模拟及工艺改进 钢圈轮辐的工艺包括落料成形翻边冲螺栓孔冲散热孔等，其中成形过程细分为 预拉深、反拉深成形两个工步。从第二工步开始，坯料为半成品工件，已经有过一次变 形过程，其材料性能、力学性能和厚度等都有相应的变化1 4 6 1 ，因此，半成品工件是一个 几何形状和力学性能未知的结构，这给轮辐的多工步成形分析带来一定的困难。本章采 用基于增量理论的动力显式有限元方法，结合多工步间变形历史信息传递技术，模拟轮 辐的多工步冲压成形过程，并根据对仿真结果的分析，预测轮辐在成形中可能出现的缺 陷，以提出改进方案，从而用于指导模具设计及生产实践，并获得轮辐成形后的应力分 布和厚度变化，为接下来考虑成形因素对结构分析的影响做好准备。 2 1 成形数值模拟的基本理论 轮辐的冲压成形是个多重非线性问题，包括材料非线性、几何非线性以及接触非线 性h 7 1 。为了准确模拟和分析板料在不同边界条件下的成形过程，需同时分析这些非线性， 并建立合理的本构关系以对应力应变关系进行描述。 2 1 1 动力显式有限元方程描述 有限元的基本思路是将连续的空间求解区域离散化为一组单元，然后将这些单元按 某种方式组合起来，从而近似的模拟整个求解域的变化情况。在整个变形体q 内，根据 连续介质力学理论，采用柯西c a u e h y 应力，当前状态下的运动方程表示为h 8 l ： z 一体力密度； 式中：p 一质量密度； 1 ，一阻尼系数： o r l + z p 西，一1 ，疗，= 0 ( 2 - 1 ) 在边界l 上满足力边界条件： 在边界l 上满足位移边界条件： 嘞疗j = z 9 ( 2 2 ) 广西大学硕士掌位论文计及成形因素预测汽车钢圈多轴疲劳寿命的研究 在边界r c 上满足接触边界条件： 咋2 o 4 n j = e ( 2 3 ) ( 2 _ 4 ) 根据虚位移原理，选取位移的变分融。，建立满足上面运动方程和边界条件的等效 积分，得到虚功方程【4 9 】： 一j ( + z 一成一诎，) 以撒+ j ( 嘞乃一互) 抛，订+ j ( 勺一t 。) 瓯a t = o ( 2 - 5 ) 0 ll 根据边界条件，应用高斯公式和散度定理，系统动力问题的虚功方程可以表示为【4 9 】： 肛，蹴，掘+ 肛，锄，加+ p 【，i s u i , j m 一弘国，扣一仁国，订一弘。国，d f = o ( 2 6 ) qqqn ll 单元内任意点的位移可以通过节点位移和形状插值函数表示： ) = 帆“，( ，) r a , * l u 尸( t ) - t 时刻单元节点的位移： 式中：肼一形状插值函数； n 一单元的节点数目； 将式( 2 7 ) 代入式( 2 6 ) ，然后对所有单元求和，得到矩阵式方程 4 t j ： 式中：k 为单元数目： 瑶= p r 彻娩一单元内力； q - = p r 知舱一单元体积力； q 圪= f r t d f 一单元外载； m 。= p r 尬一单元质量矩阵； a c 。= p 7 m - 单元阻尼矩阵； q 将各单元计算的结果进行组集后可得动力问题有限元方程【4 8 】： m u + c u + f p = 0 l o ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) o = 1 j 七 瑶 + 巧 一 磁 +c+ 陋 r m 计及成形因素预测汽车钢圈多轴l 良劳习；命的研，巴 膨一总体质量矩阵； 衫一总体节点加速度矢量； 式中：p 一包括节点载荷、面力、体力等总体载荷矢量； 置 f 一等效节点力矢量，f = 罗陋7 a m k 。= l f l j k 2 1 2 弹塑性材料本构关系 板料成形的应力应变关系为非线性，塑性厦变的大小不仅与当时的应力状态有 关，还与塑性变形历史有关，并且加载和卸载时的应力应变关系也不相同。通常，应 变分量嘞为弹性应变分量蟛和塑性应变分量蟛之和，即删： d q = d 或+ d ； 协1 0 ) 由关联流动法则，塑性应变分量的增量满足【5 1 l ： 喵= 以岳 协 觑为一正比例函数，f ，白分别为屈服函数、应力张量和应变张量。 根据弹性应力应变之间的关系，联合式( 2 1 0 ) 有： d o u = ( 呜一嘲) ( 2 1 2 ) 将式( 2 1 1 ) 代入上式可得： d o - 。= ( 嘞瑚菪 ( 2 - 1 3 ) 在等向强化下，屈服函数可表示为应力分量和塑性应变的函数【5 i 】： 厂h ，g 步) = o ( 2 1 4 ) 对上式进行全微分可得： 苦峨+ 蔷蟛一o q 以5 ， 由式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 3 ) 代入上式可得： 广西大掌硕士掌位嵌咒起 计及成形因素预溪i 汽车钢圈多轴疲劳习i 命的研究 萋哪e h 批一 q 1 6 ) 一一囊囊 协 f + h = 去，g + 日= 击, f + g 叮i ，i 舻三2 0 ；1 2 ( 2 2 1 ) q 2 嘭l 呵3 广西大掌硕士学位论文计及成形因 l i t 预测汽车钢圈多轴疲劳寿命的研究 材料分析，b a r l a t 提出了平面各向异性屈服准则，适合于描述板料内的各向异性特性， 平面应力状态下，其屈服函数为【5 2 1 ： 厂= ax , + k r + a i r , 一心r + ( 2 - a ) 1 2 k 2 1 ”= 2 c y ” k i ：华，k 2 ：， 式中：x 、y 一板料的轧制方向和横向： 万一沿轧制方向的等效应力： ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) m 一与材料晶体结构相关的指数，对于体心立方晶体材料m = 8 ，面心立方晶体材料 m = 6 。 口、h 、p 一塑性各向异性的材料参数，由各向异性系数，确定吲： 口：2 ，上o - ，h ：上生鱼 ( 2 2 4 ) v1 + 1 + r g ov1 + b a r l a t 屈服准则能很好的描述正交各向异性材料的各向异性塑性行为，并且其反映 的应力应变响应与多晶体塑性力学的结果比较吻合，因此选用b a r l a t 屈服准则及其相应 的金属流动理论可以提高多晶体金属成形数值模拟的精度。 2 2 钢圈轮辐的冲压工艺模拟分析 2 2 1 工艺分析 图2 1 为钢圈轮辐的三维实物模型，整体 尺寸较大，几何形状比较复杂，其加工工艺为： 剪切落料一成形一切边一冲螺栓孔一翻边一挤 螺栓孔一冲风孔一挤毛刺等，其中成形工艺为 关键工序。根据其凹形结构特征，一次拉深不 能得到此凹形结构，而必须至少经过一次预拉 深和一次反拉深才能获得。在预拉深成形中， 如果一次拉伸系数小于极限系数，还得进行多 次拉深，反拉深过程亦如此。为简化轮辐拉深 图2 1 轮辐的二维c a d 模型 f i g 2 i3 dc a d m o d e lo fw h e e lc e n t r ed i s c 广西大掌硕士掌位论文计及成形因素预测汽车钢圈多轴疲劳习- 命的研究 工艺数，这里采用双工步拉深方案，即一次预拉深成形和一次反拉深成形。 2 2 2 成形模拟的工艺补充 从上面轮辐的三维c a d 模型可以看出， 风孔) ，在冲压成形模拟时需将其全部填充， 如图2 2 所示。 轮辐结构包含很多工艺孔( 轴孔、螺栓孔、 由此得到反拉深成形的工艺补充型面模型 图2 - 2 反拉深成形的丁艺补充型面模型 f i g 2 2d i e f a c em o d e lf o ri n v e r s e d r a w i n g 由于第二步的成形不是在第一步的基础之上继续拉深，而是进行反向拉深，因此还 不能确定坯料预拉深成形的型面模型。根据反拉深成形的工艺补充型面模型，采用板料 成形c a d 技术，逆向推算得到预拉深成形的型面模型，如图2 3 所示。 图2 3 预拉深成形的型面模型预测 f i g 2 - 3i n v e r s e l ye s t i m a t e dp r e d r a w i n gc o n f i g u r a t i o n 2 2 3 预拉深成形模拟及结果分析 单元类型的选择 考虑到单元模型的选择对计算效率和计算精度的综合影响，选取基于m i n d l i n 板壳 理论的4 节点四边形b e i y t s c h k o - t s a y 薄壳单元进行数值模拟，该单元采用单元面内一点 1 4 广西大掌硕士掌位论文计及成彤因素预测汽车钢圈多轴妇i 劳 命的研究 积分，计算速度快，既能保证模