鋁合金車輪動(dòng)態(tài)彎曲疲勞壽命預(yù)測
加入技術(shù)交流群
車輪是汽車的重要安全部件，對汽車的行駛安全性、平順性和乘員舒適性有重要影響。車輪一般在隨機(jī)動(dòng)載荷作用下工作，造成車輪失效的主要形式為疲勞破壞。車輪在使用前必須通過多項(xiàng)性能試驗(yàn)，其中動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)是一項(xiàng)重要的測試環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[1]指出，車輪的疲勞破壞主要是由彎矩作用引起，彎曲疲勞成為車輪破壞的主要原因。如果能在設(shè)計(jì)階段預(yù)測出車輪的疲勞壽命和破壞部位，將有利于結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。
近年來，鋁合金車輪已經(jīng)得到廣泛使用，鋁制車輪不僅可以提供較高的承載能力，節(jié)省能源消耗，而且還能滿足外觀個(gè)性化設(shè)計(jì)的要求。憑借經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代化的開發(fā)要求，目前已逐漸過渡到運(yùn)用有限元技術(shù)的發(fā)展階段。
本文以某款22X8.5JJ 鋁合金車輪為例，模擬動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)過程，并預(yù)測車輪的疲勞壽命和破壞部位。
1 車輪動(dòng)態(tài)疲勞壽命預(yù)測分析過程
分析流程如圖1所示，首先對車輪進(jìn)行有限元靜態(tài)計(jì)算，得到試驗(yàn)條件下一個(gè)載荷循環(huán)的結(jié)果響應(yīng)，然后提取各載荷步的應(yīng)力、應(yīng)變作為疲勞損傷載荷。疲勞壽命分析時(shí)采用主應(yīng)變準(zhǔn)則，并考慮平均應(yīng)力的影響，最后應(yīng)用Miner法則對單個(gè)載荷循環(huán)造成的損傷進(jìn)行累積并計(jì)算疲勞壽命。
圖1 車輪疲勞壽命預(yù)測流程圖
車輪動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)常用的標(biāo)準(zhǔn)有JWL標(biāo)準(zhǔn)、DOT標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)等，這些標(biāo)準(zhǔn)都是模擬車輪在彎短作用下的受載情況。試驗(yàn)裝置如圖2所示，車輪固定在試驗(yàn)臺(tái)上，通過加載桿對車輪施加旋轉(zhuǎn)彎矩。
圖2 彎曲疲勞試驗(yàn)裝置示意圖
M = ( uR + h) FS (1)
式中U ——輪胎與道路的摩擦因數(shù)
R——靜載半徑(汽車制造廠規(guī)定與該輪轂配用輪胎的靜載半徑)
h——車輪內(nèi)偏距或外偏距
F——汽車制造廠規(guī)定的軍輪額定負(fù)荷
S——強(qiáng)化試驗(yàn)系數(shù)
3 車輪靜態(tài)有限元計(jì)算
建立精確的有限元模型是分析問題的基礎(chǔ)，直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。輪轂法蘭盤和加載軒之間用螺栓連接，建模時(shí)用接觸單元分別模擬螺栓與法蘭盤、螺母與加載桿的接觸面，摩擦因數(shù)取0.2;連接螺栓采用ANSYS軟件提供的特殊預(yù)緊單元(PRETS179)和求解方法進(jìn)行模擬。在該模型中輪轂、螺栓結(jié)構(gòu)和加載桿均采用實(shí)體單元建模，其中加載桿僅起到施加彎矩的作用，采用較大的單元尺寸以減小計(jì)算量;法蘭盤部位采用較密的單元?jiǎng)澐忠缘玫骄_的計(jì)算結(jié)果，有限元模型如圖3所示。
圖3 彎曲疲勞試驗(yàn)有限元模型
在進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)時(shí)，車輪螺栓孔部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，輪轂與加載桿連接螺栓預(yù)緊力的不同對結(jié)果有較大影響，一般通過調(diào)整施加給螺栓的扭矩來控制預(yù)緊力的大小。該車輪選用MIS x28.SX60 的螺栓，施加的扭矩為110N·m，螺栓預(yù)緊力為
F0 = T/Kd
式中 T-螺栓扭矩 d-螺栓直徑 K-擰緊力矩系數(shù)
對車輪施加的彎矩等效為在加載抨末端施加一個(gè)恒定的周向變化的載荷，載荷每旋轉(zhuǎn)一周完成一次加載循環(huán)，隨著載荷轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化，車輪各處的應(yīng)力、應(yīng)變也隨著不斷變化。在加載抨末端困心節(jié)點(diǎn)上以15°間隔沿圓周方向依次施加大小相同的載荷，得到24個(gè)結(jié)果序列，用來近似表示車輪每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)載荷循環(huán)內(nèi)的受力變化情況，載荷分布如圖3加載桿末端所示。
干涉儀相關(guān)文章:干涉儀原理
評論