铝车轮冲击试验失效案例及其有限元分析_陆斌_图文

1、陆斌(南京华舜轮毂有限公司摘要本文以一款6J×15铝车轮为例,分别从时效过程和结构优化两方面对其13°冲击试验的失效机理进行了研究,结合车轮实际的材料特性、热处理工艺和测试结果建立了以破坏应变为判定准则的有限元分析模型,并对其工艺和设计中的改进措施作了验证。关键词:车轮冲击试验有限元铝车轮冲击试验失效案例及其有限元分析车轮是汽车上重要的安全件,汽车行驶过程中路边飞石对车轮的冲击,可能造成轮辐与轮辋脱离,或者轮胎短时内泄气,因此对于汽车铝车轮的耐冲击研究是一个重要课题。常采用有限元分析的方法,通过建立非线形力学模型来求解冲击碰撞问题,如文献1利用非线性有限单元理论及成熟的商用

2、非线形有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行车轮耐冲击性的数值模拟和仿真,克服了以往采用静载荷乘以动载荷系数的方法加载于模型的局限性2,但整个过程却没有考虑车轮实际生产中的材料差异和工艺过程,所以在用来解决现场实际问题时,往往会产生很大的偏差。另外,对于分析结果采用的判定准则是应力数值的大小,而冲击过程中塑性应变的变化,才能更准确地反映车轮各部位产生变形的真实情况。在铝车轮的性能试验中,冲击试验的失效率通常较高,原因是铝车轮的耐冲击性不仅与产品的造型结构有关,同时车轮所选材料的性能和热处理工艺过程对其性能的影响也不容忽视。一方面,铝合金材料在加热后压铸到车轮模具时,可能会造成分布不均匀,在铸

3、造过程中从工艺要求考虑,常会添加一些变质剂、打渣剂等,这些都会导致车轮各部位的强度不同或是应变不同;另一方面,铝车轮所采用的A356合金材料,其热处理工艺,按产品使用性能要求分为强化时效T6(淬火+完全时效和软化时效T5(淬火+不完全时效两类,当要求产品获得较高强度,而塑性指标要求不是很高时,可选用强化时效,如果要求产品具有较高塑性,而强度要求不是很高时,则选用软化时效3。所以对车轮进行耐冲击研究时,其机械性能指标必须依据从经不同热处理工艺后的车轮本体取样进行测试,再将实际的试验结果提供给有限元软件进行数值分析,并通过各部位破坏应变的数值来指导车轮的设计优化和工艺改进,本文就一款6J×

4、;15铝车轮,从热处理的时效过程和结构优化两方面对其13°冲击试验的失效机理进行了研究,结合车轮实际的材料特性、热处理工艺和测试结果建立了以破坏应变为判定准则的有限元分析模型,并对其工艺和设计中的改进措施作了验证。1.1试验装置冲击试验SAE J1754道路车辆一车轮一冲击试验规程的初版和修订版开发了模拟车轮在车辆行驶时受侧面冲击时的情形,试验设备(见图1是一个可以将冲击载荷施加到装有轮胎车轮的轮辋轮缘上的装置。为了使垂直下落的冲头能与轮辋的最高点接触,按车轮轴线与冲头垂直下落方向成13°士1°角的方式安装车轮。冲头的冲击面长不小于375mm,宽不小于125mm。

5、为适应各种规格和形状的车轮做冲击试验,整个车轮支架的位置应可引言1冲击试验以调节。 冲头置于轮胎上方,其带有圆角的冲击面刃缘应与轮辋轮缘重叠25±1mm 。冲头的下落高度应在轮辋轮缘的最高点上方230±2mm 。试验的失效准则是:出现下列情况之一即判定为损坏(车轮的变形或与冲头相接触的轮辋断面的断裂除外:1轮辐的任一断面处有目测可见的穿透裂纹;2轮辐从轮辋上分离;3轮胎气压在1分钟内漏尽。 1.2案例如图2所示,试样为一款经T6热处理后的6J ×15铝车轮,载荷为625Kg,其冲击位置位于气门嘴所在的窗口。按SAE J175提供的公式,算出冲锤质量:D =0.6W

6、+180式中D:冲锤质量±2%,kgW:最大车轮静载荷,按照车轮和(或汽车制造厂的规定,kg最终确定的冲击试验条件见表1:1.3试验结果按上述试验要求,分别对两件铝车轮实施冲击后的结果如图3图4: 2.1材料性能2.1.1化学成分图1SAE J175侧向冲击试验装置图2冲击试验车轮表1车轮冲击试验参数项目要求冲锤质量冲击高度使用轮胎充气压力螺栓扭矩冲击数量555kg 230±2mm 205/55R16200kPa110N ·m 2件图3轮辐断裂(C轮盘有明显裂纹(S图4轮辐与轮辋分离2有限元模型的建立元素Si Mg Cu Mn Fe Zn 合金A356车轮6.5-

7、7.56.90.25-0.450.33<0.20.1<0.10.01<0.20.16<0.10.01表2铝车轮的化学成分(%图9模拟胎压图7应力应变平均曲线2.1.2机械性能如图5所示,从车轮a 、b 、c 1、c 2四处各取1个如图6的试样,所得到的应力应变平均曲线如图7,根据试验取得的数据,采用ASTM B557M-065规定的方法,计算各项指标,并取其平均值如下:弹性模量66.0953Gpa,屈服强度189.074MPa,屈服应变0.286%,破坏强度252.283MPa,破坏应变4.5575%。2.2有限元模型的建立如图8,采用成熟的商用非线形有限元软件ANSY

8、S/LS-DYNA 进行车轮耐冲击性的数值模拟和仿真1,模拟胎压如图9。3.1热处理工艺对车轮耐冲击性的影响3.1.1铝车轮的热处理工艺表3列出了GB/T 1173-1995规定的热处理工艺规范,两种工艺固溶和淬火时间一样,所不同的只是时效工艺,T5为不完全人工时效,而T6为完全人工时效 。图5 取样位置图6 试样尺寸1-冲锤2-车轮3-轮胎4-底座图8 冲击试验有限元分析模型3结果分析与改进效果表3铸造铝合金热处理工艺规范6合金牌号合金代号合金状态ZAlSi7MgAZL101A (A356固溶处理温度时间h 时效温度时间h T5T6535±5535±5612612室温再1

9、55±5室温再180±5不少于8212不少于838背面正面图10案例研究1的有限元分析时效强化是铝合金的主要强化手段,形成强化的原因一般可用位错理论解释。传统T6热处理的铝合金组织中,GP 区富集了大量的Mg 、Si 原子,引起晶格畸变,Mg 、Si 原子继续富集并有序化,在晶界上或螺旋位错上直接沉淀出来,形成'相,阻碍位错运动,其表现为强度和硬度较高。材料在冲击载荷作用下的冲击韧度取决于冲击载荷作用下的裂纹萌生和扩展情况。裂纹的萌生取决于材料的微观组织、夹杂物含量和强度水平。裂纹的扩展取决于裂纹扩展的阻力,而裂纹的扩展阻力与裂纹的扩展自由程有关。由于裂纹扩展自由程

10、往往取决于合金的微观组织,因此细小的微观组织有利于减小裂纹扩展的自由程,增强裂纹的扩展阻力,从而有利于增加材料的断裂韧度7。3.1.2案例研究1如图3所示,铝车轮经冲击以后轮辐断裂,轮盘处有明显裂纹,严重时轮辐与轮辋分离(图4。从图10有限元分析的结果可以看出,高应变区域即为相关的明显裂纹和断裂区域,如轮盘位置和轮辐根部,而轮辋和胎圈座部位并未发生大的应变。针对图3、图4的冲击试验失效模式,首先采取的改进措施是仅将车轮的热处理工艺由T6改为T5,而车轮结构未做任何修改,该法适合于顾客不接收设计修改的情形,采用不完全人工时效工艺以后,轮辐和轮盘位置机械性能的变化如表4,此时轮辐和轮盘处的伸长率均

11、大于图10中的计算值,车轮通过了试验,从图11可以看出,轮盘、轮辐和轮辋区域的金相组织改善比较明显。3.2车轮结构对其耐冲击性的影响3.2.1案例研究2如图3中C 位置所示,铝车轮经冲击以后,裂纹发生在轮辐的尾部,表示在冲击过程中该部位受到类似剪力的作用,加上破坏部位结构强度太弱而引起破坏,应加强该部位的强度(如图12中将轮辐与轮辋间的过渡圆半径R 1加大到R 2,同时降低轮缘厚度(由t 1改为 t 2,使其在冲击时先于轮辐遭到破坏。抗拉强度(MPa屈服强度(MPa伸长率(% 轮辐T6 轮辐T5轮盘T6轮盘T52772432702512301942251873.5%5.6%4%8.5%表4不同

12、热处理工艺时的机械性能a轮盘b轮辐c轮辋图11T5工艺后车轮的金相组织 修改前修改后图12案例研究2的车轮设计修改 图13案例研究2的车轮设计修改后的有限元分析图13是按案例研究2修改后的有限元分析结果,与图10的结果对比可以看出:车轮轮辋轮辐连接处的应变值从修改前的5.1%下降到了3.1%,远低于图7所示的破坏应变值4.5575%。 3.2.2案例研究3如图3中S 位置所示,铝车轮经冲击以后,裂纹发生在轮辐靠近轮盘中央的位置(图14车轮剖视图中A 处的圆弧,表示破坏部位的结构太弱要求加强,或者是轮缘部位或轮辐根部太强,在冲击过程中无法吸收部分冲击能量,以致于破坏部位是受到类似弯曲力矩的作用而

13、造成的。修改时除增大A 处圆弧的半径外,也必须适当降低轮缘厚度,图15是修改前后有限元分析结果的对比。3.2.3案例研究4 图14案例研究3的车轮剖面图15案例研究3修改前后有限元分析对比修改前修改后修改前 技术纵横 轻型汽车技术 （）总 材料特性， 建立以破坏应变为判定准则的车轮冲击 试验有限元分析模型， 能更好地指导现场的产品结 构优化和工艺过程改进。 参考文献 方伦浩基于有限元法的铝合金轮毂耐冲击 研究轻型汽车技术， （）： 修改后 闰胜昝，童水光，朱训明铝合金车轮冲击试 验有限元分析水利电力机械， （）： 王荣滨铸造铝合金缺陷分析与热处理工艺 研究有色金属加工， （）： 铸造铝合金 刘

14、栓江，李建新，刘忠侠热处理对 力学 性能的影响安阳工学院学报， （）： 图 案例研究 的车轮设计修改 冲击试验后， 如果轮胎气压在 分钟内漏尽， 通 常都是轮辋出现了裂纹，原因是轮缘部分的厚度大 于轮辋的壁厚 （如图 ）， 在车轮设计评审和机械 加工时应引起足够的重视，以杜绝此类失效事件发 生。 4 结 论 铝合金车轮的耐冲击性能，不仅与产品结构相 关， 其热处理过程中不同时效工艺的影响更为显著。 采用 商用软件，基于车轮的实际 ! 日产研发无线电动汽车充电系统 电动汽车已经成为未来汽车发展的方向之一， 其零排放污染的特点成为最具优势之处。但给电动 汽车充电成为一项很麻烦的事情。 近日，日产汽车公司研发了一项非接触充电系 统技术，电动汽车无需连接长的电线，即可实现充 电。 日产汽车在该公司举行的 “2009 先进技术说 明会 ” 上， 公开了目前正在开发的电动汽车用非接 触充电系统，其目标是在 2010 年度上市的新一代 电动汽车上配备该系统。 在先进技术说明会的展示会场， 该公司在 2000 年上市的电动汽车 “Hype rm ini” 上配备非接触充电 系统进行了充电演示。这个非接触充电系统由日产 与昭和飞机工业公司共同开发， 原理是采用了可在 供电线圈和受电线圈之间提供电力的