高強(qiáng)車輪鋼的模擬分析

高廣洲,姜魯華

(山東鋼鐵股份有限公司,山東濟(jì)南250101)

高強(qiáng)車輪鋼的模擬分析

高廣洲,姜魯華

(山東鋼鐵股份有限公司,山東濟(jì)南250101)

介紹了高強(qiáng)車輪鋼的靜力分析和疲勞分析步驟及方法,使用有限元工具能解決許多具體問題。

車輪鋼;有限元;疲勞實(shí)驗(yàn)

1　引言

目前許多乘用車采用鋁合金車輪,但載重型汽車和部分轎車仍使用高強(qiáng)車輪鋼,車輪鋼有其成本和強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)。車輪鋼是先進(jìn)高強(qiáng)鋼的一個(gè)重要鋼種,具有較高的強(qiáng)度、延伸率、優(yōu)良的成形性和翻邊性能,能滿足成形性能要求很高的復(fù)雜形狀的汽車零部件的要求,主要牌號(hào)有330CL、380CL、440CL、490CL、540CL、590CL等,顯微組織為鐵素體和珠光體,用于制作轎車車輪輪輻和輪輞等部件。根據(jù)汽車用鋼企業(yè)的需要,利用有限元軟件分析功能對(duì)鋼板制成的車輪零件進(jìn)行性能預(yù)測(cè)分析,能夠促進(jìn)與用戶的合作。

2　靜力分析

首先根據(jù)車輪尺寸建立模型,分析最大載荷下的受力狀態(tài)。靜力分析是計(jì)算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)。有限元模型見圖1所示,網(wǎng)格劃分見圖2所示。車輪分為輪轂和輪輻兩個(gè)零件,分別沖壓而成,焊接在一起。

輪轂和輪輻材料不同,之間用MPC綁定約束,相當(dāng)于是一個(gè)整體。在圓孔處施加固定約束模擬螺栓鎖緊情況,在外表面施加由輪胎產(chǎn)生的壓力載荷。根據(jù)技術(shù)要求,車輪最大載荷為7 400lbs,再加上400kPa胎壓,合計(jì)壓力508 930Pa,其是均勻加載輪轂上的。等效應(yīng)力云圖見圖3所示。

圖1　模型

圖2　網(wǎng)格劃分

分析結(jié)果顯示,最大載荷下的最大應(yīng)力為3.41e+7Pa,即為34.1MPa,發(fā)生在輪轂中部凹陷處。

位移云圖見圖4所示,從圖中看出,最大位移為4.74e-5米,發(fā)生在輪轂邊緣,與最大應(yīng)力處不同。

圖3　應(yīng)力云圖

圖4　位移云圖

3　疲勞分析

疲勞是指結(jié)構(gòu)在低于靜態(tài)極限強(qiáng)度載荷的重復(fù)載荷作用下,出現(xiàn)斷裂破壞的現(xiàn)象。當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后,在應(yīng)力值始終沒有超過材料的強(qiáng)度極限,甚至比彈性極限還低的情況下,就可能發(fā)生破壞。

疲勞分析時(shí)其徑向載荷為5 357kg和胎壓,因此需要重新增加一個(gè)結(jié)構(gòu)分析,見圖5所示。其余模型、材料都繼承前一個(gè)。

應(yīng)力-壽命曲線(S-N曲線)指交變應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的曲線,以平均疲勞生命或給定失效概率為基礎(chǔ)。加載的應(yīng)力壽命曲線見圖6所示。

圖5　新建結(jié)構(gòu)分析

圖6　應(yīng)力壽命曲線

疲勞強(qiáng)度因子(fatigue strength factor),指構(gòu)件實(shí)際受力極限狀態(tài)與構(gòu)件充分受力極限狀態(tài)應(yīng)力之比,由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上查找(此分析取1)。

交替應(yīng)力類型根據(jù)車轂實(shí)際情況,取基于零(zero-based),平均應(yīng)力理論(mean stress theory)則取常用的Goodman理論。利用疲勞分析工具,插入所需結(jié)論,安全系數(shù)云圖見圖7所示,最小安全系數(shù)為2.225 8。

4　結(jié)論

圖7　應(yīng)力安全云圖

目前有限元軟件很多,用戶界面越來越友好,易于學(xué)習(xí)掌握,功能強(qiáng)大,網(wǎng)格劃分功能尤其以Hyper Works軟件最為著名,網(wǎng)格劃分的好壞,直接關(guān)系著分析的精確程度。需要注意的是,要正確簡(jiǎn)化邊界條件,如輪轂與輪胎結(jié)合,加在輪轂上的力全部為空氣壓力,不考慮輪胎橡膠與輪轂的接觸受力。以上分析是基于車輪鋼板材的材料性能,鋼板產(chǎn)品出來后,需要做板材的參數(shù)實(shí)驗(yàn),如屈服、抗拉、延伸率、高速拉伸等,把上述數(shù)據(jù)作為鋼材參數(shù),得到模擬結(jié)果,最后還要進(jìn)行制成品的實(shí)驗(yàn),以便與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

The Simulation and Analysis of High Strength Wheel Steel

GAO Guang-zhou,JIANG Lu-hua

(Shan Steel Corporation,Jinan,250101,Shandong,China)

The static analysis and fatigue analysis steps and methods of high strength wheel steel are introduced.The finite element method is used to solve many problems.

wheel steel;finite element;fatigue test

1001-5108(2016)02-0030-03

TG142

A

高廣洲,高級(jí)機(jī)械工程師,主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)、有限元模擬、軋鋼數(shù)學(xué)模型維護(hù)等工作。