汽车钢圈疲劳强度的有限元分析与寿命预测.doc

朱红建(湖南信息职业技术学院 ,湖南 望城 410200)摘要 :针对汽车钢圈动态弯曲疲劳问题 ,以某型号汽车钢圈为例 ,运用 A N S YS 软件建立了该钢圈的有限元模型 ,模仿其动态弯曲疲劳测试试验 ,对钢圈的疲劳强度进行了仿真分析 。通过钢圈应力分布 情况的仿真试验 ,确定了钢圈上最易导致疲劳裂纹产生的危险点 ,然后用 A N S YS F E2saf e 对钢圈寿命进 行预测 ,并与试验数据进行对比 。分析计算结果表明 ,汽车钢圈疲劳强度的有限元仿真分析是有效可行 的 ,是钢圈前期设计开发的重要手段 。关键词 :有限元分析 ;汽车钢圈 ;疲劳强度 ;寿命预测中图分类号 : T P3911 9文献标志码 : AFin ite Element Analysis & L if e Foreca st f or the Fat igue Inten sity of Automobile RimsZ H U Ho ngjia n( H unan College of Info r matio n , Wa ngcheng 410200 , China)Abstract :Acco r ding to t he dyna mic co r nering f atigue of auto mo bile rims , t hi s pap er applied A N S YS in buil ding t he fi2 nite element mo del of t he rims , simulating t he dyna mic co r nering f atigue test a nd co unting t he f atigue lif e to a nal yze t he f a2 tigue intensit y of rims. Fro m t he result of t he rims st re ss di st ributi ng simulatio n , decided t he critical point w hich i s ea sy to ca use f atigue crack. Then , fo reca sted t he rims lif e by A N S YS F E2saf e , a nd co mpa re s wit h t he te st data . The result s dem2 o nst rated t hat F EM2simulatio n i s a n efficient app roach to realize t he st rengt h design of a uto mo bile rims and i s ver y impo rta nt to adva nced de sign.Key words : Finite element a nalysi s , A uto mo bile rims , Fatigue intensit y , L if e fo reca st汽车钢圈是介于轮胎和车桥之间承受负荷的旋转件 ,它与轮胎共同承受整车负荷 ,起着转向 、驱动 、 制动等作用 ,是满足汽车安全高速行使的关键部件 。由车轮受载荷情况及工况分析 ,汽车钢圈最主要的 失效形式是疲劳破坏 ,因此钢圈的疲劳寿命是衡量 车轮质量的最重要指标 ,在设计阶段预测钢圈的疲 劳寿命有着重要的意义 。然而 ,传统汽车钢圈产品设计的方法和手段有一定的局限性 ,不能在设计阶 段对钢圈寿命进行较精确的模拟计算 ,只能等到实 物试制出来 ,然后再根据弯曲疲劳试验的结果 ,进行 设计和制造工艺的调整 ,产品设计周期长 ,设计成本较高 ,产品质量不可靠 ,难以实现设计的优化 。 计算机辅助工程的应用 ,为钢圈寿命预测提供了可靠的手段 ,使设计人员在产品开发的初级阶段就可以进行仿真分析 ,得出相对可靠的预测寿命 ,缩 短开发周期 ,而且可以减少新产品开发中涉及到的模具 、产品试制和测试等方面的大量费用 ,能获得较好的经济效益 ,并能给汽车关键零部件的保养维护 提供重要的参考数据 ,避免交通事故的发生 。要建立准确的疲劳寿命预测方法 ,精确的有限 元模型和充分的试验数据验证是必需的 。本文以柳州某厂生产的载重汽车钢圈为例 ,就钢圈有限元分析展 开 研 究 , 模 拟 汽 车 钢 圈 的 弯 曲 疲 劳 试 验 , 用A N S YS 软件建立精确的有限元模型 , 得出钢圈结构的应力分布 ,预测其疲劳寿命 ,并与试验数据进行比较分析 ,验证有限元分析的可靠性 。汽车钢圈的有限元模型1从大量试验数据来看 ,汽车钢圈因弯曲疲劳造成失效的比例比径向疲劳要高得多 ,所以弯曲疲劳 试验是检验汽车钢圈疲劳寿命的最主要方法 。故要在设计阶段能较为准确地预测钢圈疲劳寿命 ,就应 在软件中尽可能真实地模拟汽车钢圈弯曲疲劳试 验 ,根据钢圈动态弯曲疲劳试验中的加载和边界约束条件 ,建立钢圈的静态线性有限元模型 。1 . 1 汽车钢圈有限元模型的建立载重汽车的钢圈主要由轮辋 、轮辐及弹性挡圈 组成 ,装配或焊接成钢圈整体 ,配用于不同型号的载重汽车 。为了便于对钢圈进行分析 ,首先利用 Pro/ E 软件建立钢圈 CAD 模型 ,建模过程中简化了一些不必要的倒角和倒圆 ,然后导入 A N S YS 软件 ,采用壳单元建立有限元模型 ,建立的钢圈有限元模型如 图 1 所示 。由试验可知 ,钢圈发生疲劳破坏的位置 一般不在弹性挡圈上 ,所以将弹性挡圈和轮辋建成一体 。在建模中保留轮辐上通风孔的缺口和轮辋上的气口 。由于轮辐是发生疲劳破坏的位置 ,因此在 划分网格时 ,轮辐需要采用小的网格密度 ,而其他部 分则可以采用较大的网格密度 。图 1 钢圈的有限元模型模型主要参数 : 单元类型 shell63 , 弹性模量 E= 2 . 0 105 M Pa ,泊松比 = 0 . 3 ,密度= 7 . 8 103kg/ m3 。1 . 2 汽车钢圈的载荷及约束分析汽车在行驶过程中 ,对钢圈影响较大的是钢圈 的弯曲载荷和径向载荷 ,其中弯曲载荷对钢圈寿命 影响最大 。弯曲疲劳试验就是用来检验钢圈弯曲载 荷对钢圈的影响而设计的 ,钢圈在动态弯曲疲劳试 验时 ,通过螺栓将轮辐与力臂杆下端圆盘相连接 ,这与实际车轮的连接方式相同 。在有限元分析过程 中 ,约束轮辐表面 (弯曲疲劳试验中通过螺栓螺母与 载荷臂下端相连接的位置) 即将轮辐表面与力臂杆 端的圆盘相连接的平面全约束 ,在轮辋的底部平面 加载法线方向的交变等幅载荷 ,这样可以较为准确地模拟弯曲试验时钢圈轮辐的受力状态 。 试验弯矩 :M = (R + d) FS = 12 118 ( N m)其中各参数 := 0 . 7 ; R = 0 . 485 m ; d = 01 159 m ; f = 22 099 N ; s = 1 . 1 。由于在 A N S YS 中不能直接施加轮辐平面的弯 矩 ,可以将弯矩转化 ,根据经验和力学分析 ,加载到 轮辋底部的载荷密度采用抛物线规律的载荷密度 。 取轮辋底面所在平面为 Y - Z 平面 ,其基本形式为 :f 1 = - f 2 = a z2 + b经计算 ,抛物线规律载荷的方程可以表示为 :f 1 = - f 2 = 0 . 952 10 - 4 z2 (0 z 264 . 55 mm)由于在试验状态下钢圈受到周期性等幅载荷作 用 ,在有限元分析过程中 , 也需要模拟周期性的载荷 。为了取得最为接近的加载效果 ,考虑到钢圈关 于缺口水平方向对称 ,在底部圆周的 8 个方向上分 别加载试验载荷 ,这样就近似等效了钢圈在弯曲试 验过程中承受的周期性载荷 。综上所述 ,汽车钢圈加载的方式及方向如图 2和图 3 所示 。汽车钢圈的有限元分析及结果钢圈的实际裂纹位置主要是在轮辐的通风孔 上 ,方向沿轮辐圆周方向 , 所以研究的重点在轮辐 上 。对钢圈车轮有限元模型进行分析求解 ,得到钢 圈整体模型在弯曲力矩作用下的应力及危险点分布 情况 ,如图 4 所示 。其中第 1 方向为轮辐有缺口的 方向 ,分析得到 8 个方向的 vo n M IS ES 应力结果 , 如表 1 所示 。表 1 有限元计算结果2由分析结果可以得出 ,载荷在第 1 、第 2 、第 6 、第 8 方向的结果较大 ,其中第 1 载荷方向的结果最大 。最危险点在第 1 个通风孔处 , 应力值为 55 . 68M Pa ;次 危 险 点 也 在 第 1 个 通 风 孔 处 , 应 力 值 为541 31 M Pa 。通常钢圈的疲劳裂纹产生在第 1 个通 风孔处 ,因此有限元分析预测的危险点位置与实际 结果相符 。方向12345678最大应力/ M Pa55 . 6854 . 3138 . 952 . 3225 . 652 . 2637 . 951 . 42危险点位置(通风孔)第 1 个第 1 个第 3 个第 3 个第 3 个第 3 个第 1 个第 1 个图 4 各方向加载的应力分布及危险点拥有强大的疲劳分析功能 ,可以调用包括 A N S YS 、3汽车钢圈弯曲疲劳寿命预测汽车钢圈弯曲疲劳寿命的计算方法有多种 ,本ID EA S 、A baqu s 在内的多种有限元分析软件的结果进行疲劳计算 。 通过前面汽车钢圈的弯曲疲劳试验 ,获得钢圈危险点的载荷谱如图 5 所示 ,其中 :文利用 A N S YS 中的字体统一模块 ,结合已有疲劳理论对研究中的钢圈寿命进行分析预测 。A N S YS应力比 :察 A N S YS 后处理 S x ( S x = l g N ) 结果云图 ,采用莫罗公式的寿命大于 10 E8 次循环 。因此可以推测该 钢圈在不超载的正常路况下 ,通常不会发生疲劳破坏 。厂方实际反馈信息显示 ,通常载重汽车都在超 载情况下行驶 ,为保证经济利益 ,设计过程中要有一 定的寿命预留量 ,所以该结果较为可信 。R = S mi n = - 1S max应力幅值 :S = S max - S min = 2 Smax2平均应力 :4试验验证为了验证有限元分析结果的正确性 ,对所研究 S max + S minS m = 02的汽车钢圈进行了动态弯曲疲劳试验和静态应力分析 ,主要是检验有限元分析得到的变形趋势和实际 测试得到的变形趋势的一致性 、有限元分析计算危 险点应力的准确性及钢圈弯曲疲劳寿命预测的可靠 性 。试验设备为厂方提供的动态弯曲疲劳试验机 ,钢圈采用与文中相同型号的钢圈 。试验中 ,加载条件按照国标的动态弯曲疲劳试 验 ,保证与仿真分析的条件一致 。采用 45角应变 花测量结构应力 。对于应变花的安装 ,根据有限元 分析计算的结果 ,确定应力较大和变形趋势明显的图 5 钢圈弯曲疲劳试验的载荷谱采用 A N S YS 做 结构 强 度 分 析 , 使 用 A N S YS 强度分析的结果文件进行疲劳寿命计算 。计算后新 生成结果文件 ,通过 A N S YS 后处理读入该结果文 件即可显示寿命云图 。其中 X 向应力值 S x 为 F E- saf e 计 算 的 寿 命 结 果 对 数 值 。本 文 利 用 F E -saf e 中的莫 罗 ( Mo r ro w ) 公 式法 预 测钢 圈的 寿 命 。 软件预测结果如图 6 所示 。位置 ,将应变花按统一方向贴到钢圈表面 ( 如图 7 、图 8 所示) ,并对相应的测点进行了编号 。试验结果如下 。1) 由表 2 及图 9 可以看出 ,有限元分析结果和 测试结果是较为接近的 ,即有限元分析的变形趋势 和测试的变形趋势基本一致 ,说明有限元分析结果是准确的 。图 9 各测点测试结果和有限元结果2) 根据图 8 所示 ,危险点测试的结果显示轮辐 内侧的应力要大于外侧的应力 ,如表 3 所示 ,主应力图 6 Mo r ro w 公式计算结果F E - saf e 设置寿命大于 10 E8 次 ,为不破坏 ,观表 2 变形趋势的数据比较测点位置轮辐通风孔轮辐通风孔轮辐通风孔轮辐通风孔轮辐通风孔轮辋气孔轮辋中部轮辋中部vo n Mi se s 应力/ M Pa测试值/ M Pa相对误差 ( %)7 . 136 . 539 . 14 . 734 . 974 . 86 . 356 . 674 . 85 . 365 . 655 . 15 . 446 . 046 . 64 . 875 . 033 . 29 . 459 . 823 . 88 . 709 . 134 . 7表 3危险点的应力状态1 / M Pa2 / M Pamax / M Pamin / M Pa12 / M Pa测试位置/ ()孔内侧孔外侧- 6 . 236 198- 61 . 258 913 . 001 95- 80 . 498 937 . 803511 . 571 225 . 589 79412 . 001 745 . 158 362- 1 . 664 230注 :1 、2 是正应力 ;max 、min 是主应力 ;12 是切应力 ;是主应力的方向 。的方向与实际使用过程中裂纹产生的方向和有限元分析的应力云图方向基本一致 ,均是在轮辐通风孔 沿圆周方向 。这表明了应用有限元方法计算危险点应力的准确性 。3) 由表 4 可以看出 ,有限元预测的疲劳寿命和 试验测得的寿命也是相符的 ,证明采用有限元对汽 车钢圈进行疲劳寿命分析的方法是可行的 ,结果也是可信的 。缩短开发周期和提高生产效率的目的 ,并能获得很好的经济效益 。参考文献 1 韦倾. 轿车车轮钢圈疲劳寿命的有限元分析 J . 机械工 程师 ,2007 (2) :68270 . 2 崔 胜 民 , 杨 占 春. 汽 车 车 轮 疲 劳 寿 命 预 测 方 法 的 研 究J . 机械强度 ,2002 ,24 (1) : 66269 . 3 郗彦辉. 铝合金车轮的结构分析及优化 D . 天津 : 河北 工业大学 ,2003 . 4 周传月 ,郑红霞 ,罗慧强. M SC. Fatigue 疲劳分析应用与 实例 M . 北京 :科学出版社 ,2001 . 5 侯金花. 轮毂弯曲疲劳试验的仿真分析 J . 机械研究与应用 ,2005 ,8 (18) :425 .表 4疲劳寿命预测结果和试验结果超载 2 倍的寿命 N预测的方法寿命 N 次循环位置大于 10 8 次大于 10 8 次有限元预测寿命试验测得寿命462 825396 211第 1 个通风孔第 1 个通风孔5结语通过对某载重汽车钢圈进行有