铝合金轮毂弯曲疲劳寿命预测.pdf

摘要：轮毂作为汽车为数不多的旋转承载构件，其安全性直接影响到汽车的安全性。利用模拟仿真方法对某铝合金轮毂进行了静力分析及弯曲疲劳寿命预测，求得轮毂最低循环次数为 2.8伊107次，发现轮辐之间的区域为应力集中区域，该区域寿命较短，但是符合目前的设计要求。在以后对轮毂进行优化时，可着重考虑轮辐交界处。关键词：轮毂仿真分析弯曲疲劳试验疲劳寿命中图分类号：U461.91文献标识码：A文章编号：2095-8234（2023）04-0057-05Bending Fatigue Life Prediction of Aluminum AlloyWheel HubLIU Na;LIU Peng;GAO YuanyuanShandong Jianzhu University(Jinan,Shandong,250101,China)Abstract：As one of the few rotating load-bearing components of a car,the safety of the wheel hub direct原ly affects the safety of the car.To ensure its safety,simulation methods are used to conduct static analysisand bending fatigue life prediction of an aluminum alloy wheel hub,and the minimum cycle number of thewheel hub is obtained as 2.8 伊 107times.Its found that the region between the spokes is a stress concen原tration region,and the life of this region is low,but it meets the current design requirements.When opti原mizing the hub in the future,we can focus on the spoke junction.Keywords：Wheel hub;Simulation analysis;Bending fatigue test;Fatigue life铝合金轮毂弯曲疲劳寿命预测*刘娜刘鹏高媛媛（山东建筑大学山东济南250101）引言汽车构件的安全性一直是科研工作者关注的重点，其中轮毂的疲劳寿命是重中之重。弯曲疲劳寿命作为轮毂安全性验证方法的一种，国内外学者对其研究较为深入。陈继刚等1通过对 3 种力学模型的研究及试验验证，发现轮毂材料以及加载轴对最大应力的影响不大，且要考虑螺栓预紧力。边雷雷等2利用名义应力法和 FE-SAFE 软件对轮毂疲劳寿命进行了预测，结果表明，轮毂通风孔处的寿命较短。张响等3对比不同的损伤公式，发现用 Simth-Waston-Topper 方法预测铝合金轮毂弯曲疲劳寿命较准确。P.Li 等4通过量化影响疲劳行为的关键因素之间的相互作用，证明了孔隙大小和加载水平都对疲劳行为有显著影响。R.Shang 等5根据轮毂疲劳寿命试验结果，提出了增加轮辐厚度可提高轮毂的疲劳寿命，并对优化的轮毂进行了试验验证。本文利用模拟仿真方法对某铝合金轮毂进行了静力分析及弯曲疲劳寿命预测。1轮毂弯曲疲劳试验原理根据 GB/T 5334-2005乘用车车轮性能要求和试验方法6规定，轮毂弯曲疲劳试验方法分为 2 种：其一为轮毂在固定不变的弯矩下进行旋转，如图 1小 型 内 燃 机 与 车 辆 技 术SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE TECHNIQUE第 52 卷第 4 期圆园23 年 8 月Vol.52 No.4Aug.2023*基金项目：“运输车辆检测、诊断与维修技术”交通行业重点实验室开放基金项目（JTZL2004）。作者简介：刘娜（1979-），女，副教授，主要研究方向为汽车轻量化及振动噪声控制。小型内燃机与车辆技术第 52 卷所示；其二为轮毂固定不动，承受一个旋转的弯矩，如图 2 所示。试验样品应是全新轮毂，每个轮毂只能做一次试验。在进行铝合金轮毂弯曲疲劳寿命试验时，方法2，即轮毂固定不动，承受一个旋转的弯矩的加载方式更贴近实际情况。因此，选定方法 2 为理论模型。弯曲疲劳试验循环次数要求见表 16。试验弯矩的计算公式如下：M=（滋R+d）伊 FV伊 S（1）式中：M 为试验弯矩，N m；滋 为轮胎与路面之间的摩擦系数，见表 1，取 0.7；R 为轮胎静负荷半径，m；d 为轮毂内偏距，m；FV为轮毂额定载荷，N；S 为强化系数，见表 1，其数值选择优先选用的试验系数，取1.60。则轮毂轴端载荷为：F=ML（2）式中：F为轮毂轴端载荷，N；L 为力臂长度，m。轮毂型号为 255/50R19 107W，根据轮毂型号以及材料参数，轮胎静负荷半径 R 为 0.70 m，轮毂内偏距 d 为 0.037 m，力臂长度 L 为 0.78 m，轮毂额定载荷 FV为 9 555 N。通过公式（1）和公式（2）计算，可得轮毂轴端载荷 F为 6 311.7 N。2螺栓预紧力在进行试验时，轮毂通过螺栓与加载轴连接在一起。选用螺纹为 M14 伊 1.5 的螺栓，该螺栓的转矩达到 150 N m。螺栓预紧力可通过下述公式求得。普通螺纹力矩：T1=FQd22tan（姿+籽v）（3）螺栓轴向载荷：FQ=2T1d2tan（姿+籽v）（4）螺纹中径：d2=d-0.649 5p（5）升角：姿=arctannp仔d2（6）当量摩擦角：籽v=arctanfv=arctanfcos茁（7）式中：螺栓材料为 45 钢；f 为螺母支承面摩擦系数，取 0.3；d 为螺栓的螺纹大径，为 14 mm；d2为螺栓的螺纹中径，mm；籽v为螺纹升角，毅；姿 为螺纹当量摩擦角，毅；n 为螺纹头数，n=1；p 为螺距，为 1.5 mm；茁 为普通螺纹的牙型斜角，为 30毅；T1为螺栓转矩，为150 N m；FQ为螺栓预紧力，N。将数据代入上述公式，可得 FQ为 27 708 N。3有限元分析符合材料为线性材料、载荷为静态载荷、变形需图 1试验方法 1 简化图1-加载点2-轮辋中心面3-轮毂4-车轮连接件5-加载臂F-加载力L-力臂长度d-车轮偏距32F43254F图 2试验方法 2 简化图1-加载点2-轮辋中心面3-轮毂4-车轮连接件5-加载臂F-加载力L-力臂长度d-车轮偏距材料强化系数最低循环次数摩擦系数钢轮毂1.6030 0000.71.33150 000轻合金1.60a100 0001.33270 000注：对每种产品的认证试验可根据汽车生产厂的要求只选其中的一种系数。a 为优先选用的试验系数。表 1弯曲疲劳试验循环次数要求115558第 4 期为小变形 3 个条件才能在结构分析中用线性静力学分析。因此，在进行有限元分析时，要将动态载荷转化为静态载荷。3.1轮毂材料属性及模型简化本文研究用轮毂型号为 255/50R19 107W，额定装载质量为 975 kg，材料为 A356 铝合金。该铝合金材料为三元素合金，能够满足轮毂的强度要求7。由于轮胎材料结构十分复杂，在进行有限元分析时会涉及到非线性问题，所以，进行轮毂有限元分析时，只需要对轮毂模型进行分析。对轮毂模型进行适当的简化，能提高网格划分的便捷性和网格质量，从而保证仿真计算的真实性。轮毂的简化模型如图 3 所示。轮毂的材料属性见表 2。3.2网格划分边界条件设置对轮毂进行网格划分时，网格尺寸设置为 6 mm，相关性设置为 30，跨距角中心与关联中心设置为Medium。轮毂网格模型如图 4 所示。平均网格质量为 0.72，网格质量 Element Metrics图如图 5 所示。图 5 中，Tet10 表示 10 个节点的四面体单元。网格质量是单元的最短边与最长边的比值，理想单元的网格质量为 1。从图 5 可知，网格质量大于0.65 的数量超过 70%。所以，该网格下的力学分析结果有效。3.3边界条件的施加根据试验方法 2，轮毂固定不动，轮辋外侧固定在试验台上。因此，在该位置添加固定约束8。加载轴的末端受到一个弯矩，该弯矩等效为轮毂轴端载荷。将轴端载荷分解为 Z方向和 Y 方向的分力，如图 6 所示。2 个分力为余弦和正弦的方式加载，通过改变分力的大小来改变轴端载荷的方向。轮毂边界条件施加如图 7 所示。为了进行静力学分析计算，在有限元分析过程中，把动态载荷转化成静态载荷9。本文采用 12 个载荷序列来模拟轮毂在弯曲试验过程中一个完整的循环过程，将轮毂平均分为 12 份，每隔 30毅进行一次计算。图 3轮毂简化模型表 2轮毂的材料属性材料密度/（kg m-3）杨氏模量/Pa泊松比许用应力/MPaA3562 6906.9E+100.33240图 4轮毂网格模型图 5Element Metrics 图98 11475 00050 00025 00001.000.05 0.130.250.380.500.630.750.88网格质量Fcos兹Fsin兹F兹图 6分力简化模型图 7轮毂边界条件施加A：wanquStatic StructuralTime：1.sFooed SupportForce：6333.4 NBolt Pretension：27708 NBolt Pretension 2：27708 NBolt Pretension 3：27708 NBolt Pretension 4：27708 NBolt Pretension 5：27708 NTet10刘娜等：铝合金轮毂弯曲疲劳寿命预测59小型内燃机与车辆技术第 52 卷图 9轮毂应力云图图 10轮毂变形云图A：wanquEquivalent Stress 2Type：Equivalent（von-Mises）StressUnit：MPaTime：1275.848 Max67.42158.99350.56642.13833.7125.28316.8558.42763.299e-7 MinA：wanquTotal DeformationType：Total DeformationUnit：mmTime：120.18183 Max0.161630.141420.121220.101020.0808140.0606110.0404070.0202040 Min图 12轮毂疲劳寿命云图载荷序列设置如图 8 所示。3.4有限元分析结果材料流动破坏的主要原因是形状改变。轮毂弯曲疲劳试验中，主要以疲劳破坏为主，利用第 4 屈服准则来进行分析比较合适10。运行完 12 步载荷序列以后，提取有限元分析结果中的应力及变形。其中，最大应力为 75.8 MPa，低于材料的许用应力；最大变形为 0.18 mm。应力及变形云图分别如图 9 及图 10所示。从图 9 及图 10 可知，最大应力及最大变形都出现在两轮辐之间。至于螺栓预紧力对轮毂疲劳寿命的影响，研究表明，当轮辐螺栓孔是应力疲劳破坏区域时，不可以忽略螺栓预紧力的影响11。由上述有限元分析结果可知，轮辐螺栓孔处有应力集中区域。因此，该轮毂的螺栓预紧力不可忽略。4轮毂弯曲疲劳寿命预测轮毂疲劳属于高周疲劳，因此采用名义应力法来预测轮毂的疲劳寿命较为准确。名义应力法估算轮毂的疲劳寿命一般是从材料的 杂-晕 曲线出发，再考虑各种影响因素12。A356 材料的 S-N 曲线如图 11所示。在材料设置模块中，将轮毂材料设置为 A356，螺栓和加载轴材料设置为结构钢。由于只考虑轮毂的疲劳寿命，因此在求解时，只对轮毂进行运算。将 ANSYS 静力分析结果导入 Ncode Design Life的 nCode SN TimeStep（Design Life）模块中，将 12 步计算载荷作为一个循环进行加载，得到轮毂的疲劳寿命云图如图 12 所示。从图 12 可知，轮毂的疲劳寿命为 2.8伊107次，远大于设计所要求的最低循环次数。8 0006 0004 0002 0000-2 000-4 000-6 000-8 00014024681012载荷序列FzFy图 8载荷序列设置3.0E+082.5E+082.0E+081.5E+081.0E+0808.03.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5Cycle（log10）图 11A356 材料的 S-N 曲线Life（Repeats）No DataBeyond Cutoff1.761e+0143.102e+0135.465e+0129.626e+0111.696e+0112.987e+0105.262e+0099.268e+0081.633e+0082.876e+007Max：Beyond CutottAt Node 408160Min：2.867E7At Node 395774应力比为 0.5应力比为 0应力比为-0.5应力比为-1.060第 4 期5结论利用有限元模拟仿真方法，能够尽早发现轮毂结构设计中的缺陷，避免不必要的资源浪费。本文根据 GB/T 5334-2005乘用车车轮性能要求和试验方法对轮毂的弯曲疲劳寿命进行了试验研究，通过仿真分析，对铝合金轮毂的弯曲应力进行了运算，且考虑了螺栓预紧力对计算结果的影响。利用静力学分析结果，通过 Ncode Design Life 模块对轮毂的疲劳寿命进行了预测。仿真计算结果表明，轮辐为应力集中区域，最大应力为 75.8 MPa，远远小于材料的许用应力；轮毂的疲劳寿命（最低循环次数）约为 2.8伊107次，高于强化系数为 1.60 时的设计要求。轮毂疲劳破坏区域集中在轮辐之间，该区域也是应力和变形最大的位置。因此，后续可对该部位进行优化以提高轮毂的使用寿命。参考文献1陈继刚，张国智，林宇飞.铝合金轮毂弯曲疲劳试验的有限元模型J.工程设计学报，2011，18（2）：120-123+129.2边雷雷，岳峰丽.重载车低压铸造铝合金轮毂弯曲疲劳试验仿真方法研究J.沈阳理工大学学报，2014，33（4）：71-74.3张响，童水光，闫胜昝，等.铝合金车轮弯曲试验疲劳寿命预测研究J.机械强度，2008，30（4）：673-677.4Li P,Maijer D M,Lindley T C,et al.A through process modelof the impact of in-service loading,residual stress,and mi原crostructure on the final fatigue life of an A356 automotivewheel J.MaterialsScience and engineering:A,2007,460:20-30.5Shang R,Altenhof W,Hu H,et al.Rotary fatigue analysis offorged magnesium road wheels J.SAE International Journal ofMaterials and Manufacturing.2008,1(1):9-15.6国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GB/T5334-2005 乘用车车轮性能要求和试验方法S.北京：中国标准出版社，2006.7代颖辉.自然时效对 A356 铝合金车轮性能的影响J.铸造，2015，64（4）：360-362.8胡裕超，杨辉.基于 ANSYS Workbench 的轮毂弯曲疲劳分析J.汽车实用技术，2021，46（12）：90-92.9韩兵，朱茂桃，张永建.铝合金车轮动态弯曲疲劳寿命预测J.农业机械学报，2008，39（5）：208-210+196.10 单萍，郑忠才，高岩，等.基于径向疲劳仿真的铝合金轮毂寿命分析J.小型内燃机与车辆技术，2020，49（1）：49-53.11 郭佳欢.车轮弯曲疲劳与径向疲劳研究及寿命预测D.镇江：江苏大学，2016.12 钟翠霞.铝合金车轮设计及结构分析D.杭州：浙江大学，2006.（收稿日期：2022-05-06）刘娜等：铝合金轮毂弯曲疲劳寿命预测要强化研究型大学建设同国家战略目标、战略任务的对接，加强基础前沿探索和关键技术突破，努力构建中国特色、中国风格、中国气派的学科体系、学术体系、话语体系，为培养更多杰出人才作出贡献。习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话61