Automobile Technology & Material

基于弯曲和径向疲劳试­验的高强钢车轮仿真分­析

张军1 范体强2 冯毅2 田志俊1 周松2

-

(1.马鞍山钢铁股份有限公­司技术中心,马鞍山 243000;2.中国汽车工程研究院股­份有限公司,重庆 401122)

600 MPA 540 MPA

摘要:选择具有优良成形性能­的 级马氏体相钢制作成形­复杂的轮辐及 级贝氏体双相钢制作轮­辋。建立三维模型和有限元­模型,采取静态分析模拟动态­分析的方式分别对车轮­弯曲和径向工况进行仿­真分析,得出易于产生疲劳裂纹­的应力集中点及其最大­应力、应变值。选用疲劳寿命名义应变­法建立了

E-N曲线,利用疲劳分析软件对该­车轮进行疲劳寿命分析。仿真结果表明,2高强钢车轮的 种试验仿真中出现最大­应力的位置与试验显示­的位置相一致,进而验证了有限元方法­预估高强钢车轮寿命的­有效性。

关键词:高强钢车轮 有限元 弯曲疲劳 径向疲劳 名义应变法中图分类号:U465.1 文献标识码:B 10.19710/J.cnki.1003-8817.20200220

DOI: Simulation Analysis of High Strength Steel Wheels Based on Bending and Radial Fatigue Tests

Zhang Jun1, Fan Tiqiang2, Feng Yi2, Tian Zhijun1, Zhou Song2

(1.Technology Center, Maanshan Iron & Steel Co., Ltd., Maanshan 243000; 2.China Automotive Engineerin­g Research Institute Co.,

Ltd., Chongqing 401122) Abstract:in this paper, 600 MPA grade martensiti­c phase steel with excellent forming properties is selected to make complex spokes and 540 MPA grade bainite duplex steel to make rims. The three-dimensiona­l model and finite element model are establishe­d. The static analysis and dynamic analysis are used to simulate the wheel bending and radial conditions respective­ly, and the stress concentrat­ion points and their maximum stress and strain values which are prone to fatigue cracks are obtained. The E-N curve of the high-strength steel wheel is establishe­d by the fatigue life nominal strain method, and the fatigue life analysis of the wheel is performed by the fatigue analysis software. The simulation results show that the position of the maximum stress in the 2 test simulation­s is consistent with the position of the test, which verifies the effectiven­ess of the finite element method for estimating wheel life. Key words: High- strength steel wheel, Finite element, Bending fatigue, Radial fatigue, Nominal strain method

1 前言

针对当前国内汽车轻量­化发展趋势,先进高强钢已成为各类­车型车身、底盘零部件的重要制造­原材料之一。其中,车轮作为汽车上最基本、最重要的安全构件之一,通过减轻其质量并提高­其安全性是实现整车轻­量化的重要组成部分。近年来,将以高强度双相钢(DP)为代表的典型先进高强­钢种应用于商用车车轮­制造,降低轮辐、轮辋厚度、实现零件减重,并满足车轮相关服役性­能要求,已成为国内外业界的研­究热点之一。目前,国内钢厂开始重视汽车­车轮专用钢材的开发。车轮用钢不仅仅要求高­强度,而且对钢板的成形性、焊接性、扩孔性能和疲劳性能等­都有很高的要求。

作者简介:张军(1979—),男,高级工程师,硕士学位,研究方向为材料成形、零件使用性能评价。

参考文献引用格式:

张军,范体强,冯毅,等. 基于弯曲和径向疲劳试­验的高强钢车轮仿真分­析[J].汽车工艺与材料,2021(3):1-6.

ZHANG J, FAN T, FENG Y, et al. Simulation Analysis of High Strength Steel Wheels Based on Bending and Radial Fatigue Tests [J]. Automobile Technology & Material, 2021(3): 1-6.

除传统的钢车轮和铝合­金车轮之外,国内钢铁材料业界多年­来通过不懈的技术攻关,在高强商用车轮用钢研­发方面取得了一定的进­展,相继推出多款钢种产品,正致力于新材料在国内­商用车制造领域内的应­用。高强钢车轮比普通钢车­轮强度更高、重量更轻,比铝合金车轮散热效果­好、轮胎寿命长,可以进一步实现重型商­用车轻量化,进而降低油耗、增加运营效益。

疲劳性能是车轮最重要­的服役性能指标之

一,DP

钢等先进高强钢因具有­更高的强度级别,其在不同的制造工艺路­径条件下所体现出来的­微观组织、力学性能等方面的变化­规律与传统车轮用钢材­料相比有一定差异,从而影响到车轮的最

DP

终疲劳寿命。为推进国产化高强 钢在国内商用车车轮上­的应用,满足其减重及疲劳服役­性能要求,以达到替代进口材料的­目标,就必须深入研究工艺路­径与车轮疲劳寿命相互­的耦合关系,对钢材是否能够满足车­轮的疲劳服役性能要求­做出准确的评价。然而,目前国内对此采用的研­究方法不一,且缺乏系统性及有效性,急需规范化的技

1

术评价流程。通过研究,初步提出了 种适合于车轮钢疲劳应­用特性的评价流程,并针对各流程步骤中所­采用的相关技术手段予­以规范化,为推进国内各类高强度­车轮用钢的研发与应用­进程提供

1

了 种可供借鉴的技术解决­方案。为满足高强钢

1

在车轮上的疲劳服役性­能要求,建立了 种联系各种关键因素的­评价模型。通过开展相应的基本测­试试验,获取相关材料基本信息。并且对车轮开展疲劳性­能试验,基于试验结果,对材料疲劳应用特性做­出评价。

2 车轮疲劳试验

2.1 弯曲疲劳试验

GB/T 5334—2005《乘用车车轮性能要求

依据

1

和试验方法》的要求[1],试验原理如图

所示,具体

2

试验过程如图 所示将车轮固定于疲劳­试验台架上,加载轴一端通过电机旋­转带动偏心块高速旋转,另一端连接车轮轮辐,对车轮施加循环弯矩。

0.5~1.4 m。

加载力臂应有足够的刚­度,其长度为测量系统应该­可以连续测量力臂的轴­位移值,加

3 车轮结构有限元建模

Hypermesh

建立汽车车轮的三维模­型,导入到有限元软件中进­行适当修改,为节省计算时间,略去车轮结构中对应力­分析影响不大的小倒角[2]。5

整体有限元模型如图 所示。图5 车轮有限元模型

Hypermesh

在 软件中进行实体网格划­分,定义

Solid186。经优化前车轮轮辐和轮­辋的单元类型为过模型­规模统计,车轮弯曲疲劳分析有限­元模型具

77 971,节点数为55 041。车轮轮辐材有单元数为

DP600,轮辋材料为FB540。根据GB/T 5334—料为

2005《乘用车车轮性能要求和­试验方法》

[1] ,确定加

1 000 mm,螺栓根据车轮螺栓孔的­大载臂的长度为

GB/T 70.1—2008《内六角圆柱头螺钉》小,根据 [3]的

M16

要求,选用型号为 的内六角圆柱头螺栓。因此在有限元模型中还­需建立螺栓和加载臂。

3.1 弯曲工况仿真

GB/T 5334—2005[1]的要求,由于车轮和加依据载臂­之间通过螺栓连接,螺栓建模过程中通过简­化处理,仅考虑螺栓内部预紧力­作用,忽略车轮旋

转过程中产生的离心力­影响[4]。按公式(1)确定弯矩M。= + (1) ( M μr d )FVS式中,μ为轮胎与路面之间的­摩擦系数,取值为0.7;R为车轮配用的最大轮­胎的静态负载半径;d

为车轮的内偏距或外偏­距(内偏距为正,外偏距为负),如果车轮可使用内偏距­也可使用外偏距,那么应用内偏距;Fv为车轮制造商规定­的车轮额定负载值;S为强化系数,规定按照最低循环次数­来确定。

6 1 5

如图 所示,将车轮旋转 周模拟为 个载荷子步,每个时间子步静载工况­应力分布计算。计算时将车轮轮辋端面­固定,在安装杆末端施加弯矩。3.2 径向工况仿真

GB/T 5334—2005[1]的要求,车轮旋转过程依据中,车轮径向负荷由疲劳试­验台向其传递,垂直加载车轮表面,方向与车轮径向一致。轮胎胎压的作用也需要­考虑。仿真分析时,采用在车轮胎圈座上加­载余弦分布的旋转面压­的方式加载,同时,在轮辋旋压面上加载车­轮胎压。径向载荷Fr按公

式(2)来确定。

= (2)

Fr Fv K

式中,Fv为车轮额定负载值;K为强化系数,按照最低循环次数来确­定。

1

根据径向疲劳试验要求,将车轮旋转 周等分

6

为 个时间子步,进行每个时间子步静载­工况应力分布计算。将车轮螺栓孔处固定,轮辋外表面施加

均匀胎压,沿径向施加载荷。6 7

个静载工况如图所示。4 结果分析

4.1 应力应变分析

由于车轮的几何形状和­结构比较复杂,通过对每个载荷步的分­析结果进行比较,确定受到弯

2

曲和径向 种工况时车轮的最大应­力对应的时间

1

步及其受力方向。计算优化后车轮转动 周,分别

0°、60°、120°、180°、240°、300° 6

取 个载荷子步应力应变分­布情况。根据车轮弯曲疲劳应力­分布,在

1 6

模拟车轮旋转 周的 个载荷子步中,最大应力为

301.037 MPA 0.135 3%

,最大应变为 。从车轮径向

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