鋁合金車輪動態(tài)彎曲疲勞壽命預(yù)測
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計算結(jié)果顯示，車輪在靜載作用下整體應(yīng)力水平不大，較大應(yīng)力部位出現(xiàn)在輪輻根部連接處，應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，說明該車輪在靜載情況下是安全的，圖4為車輪在某個載荷作用下的等效應(yīng)力分布圖(單位:Pa)。
圖4 等效應(yīng)力分布圖
4.1 壽命估算模型
在進(jìn)行疲勞壽命汁算時，預(yù)測精度既依鎖于精確的布限元模型和應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)的正確模擬，又依賴于損傷模型的合理使用。幾何形狀比較復(fù)雜的零部件危險截面部位經(jīng)常受到多軸疲勞載荷的作用，即使在單軸載荷作用下其局部仍可能處于多輸應(yīng)力狀態(tài)。目前廣泛采用的多軸疲勞損傷模型是臨界平面法，該方法基于斷裂模型及裂紋萌生機(jī)理，認(rèn)為裂紋發(fā)生在某一特定平面上，疲勞損傷的累積、壽命預(yù)測都在該平面上進(jìn)行，具有一定的物理意義。確定臨界平面的方法有多種，根據(jù)不同的損傷參量可以得到不同的判斷準(zhǔn)則，工程上常用的損傷模型有主應(yīng)變準(zhǔn)則、最大剪應(yīng)變準(zhǔn)則和Brown-Miller準(zhǔn)則。對于脆性金屬一般采用主應(yīng)變準(zhǔn)則，即認(rèn)為裂紋首先出現(xiàn)在承受最大主應(yīng)變幅的平面上。在具體使用時，常采用簡化方法，將復(fù)雜的應(yīng)力、應(yīng)變轉(zhuǎn)化為最大主應(yīng)變幅平面上的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變，再借助成熟的單軸疲勞分析方法計算零部件在多袖載荷作用下的疲勞壽命。該鑄造鋁合金輪轂材料是A356，屬于脆性材料，在疲勞壽命分析時比較適合采用主應(yīng)變準(zhǔn)則。
單軸疲勞的應(yīng)變-壽命計算準(zhǔn)則己經(jīng)非常成熟，通常用Manson - Coffin 方程表示
0.014, c= -0.67，對所有可能的臨界平面進(jìn)行類似的重復(fù)計算，取最短的疲勞壽命作為車輪的疲勞壽命。 4.2 疲勞壽命計算
疲勞壽命分析一般需要輸入材料的疲勞性能參數(shù)和應(yīng)力、應(yīng)變歷程。材料參數(shù)可以根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)從試驗中直接獲得，也可以從材料手冊或材料數(shù)據(jù)庫軟件中查得，還可以根據(jù)經(jīng)驗公式由彈性模量和極限強(qiáng)度估計某些典型疲勞性能，但精度一般要差一些。
可以提取有限元計算的單位載荷或試驗載荷下的彈性應(yīng)力、應(yīng)變獲得應(yīng)力、應(yīng)變歷程，前者得到的計算結(jié)果實際上是外載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變輸出和外載荷輸入之間的比例關(guān)系，測量的載荷譜實際上提供了一個隨時間變化的縮放因子，將單位載荷響應(yīng)按照載荷譜上各點(diǎn)的數(shù)值大小進(jìn)行比例縮放即可得到疲勞損傷的應(yīng)力應(yīng)變譜，適合于復(fù)雜載荷譜加載;后者比較適合于簡單的恒幅加載。通常情況下零部件工作在彈性應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)局部發(fā)生屈服時，一般采用近似修正方法來獲得彈塑性應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)，常用的修正方法有單軸或多軸的Neuber準(zhǔn)則和Glink準(zhǔn)則。
在進(jìn)行該車輪疲勞壽命分析時，提取靜態(tài)分析得到的24個載荷結(jié)果響應(yīng)作為一個疲勞損傷典型載荷譜，計算時對應(yīng)力譜進(jìn)行Morrow平均應(yīng)力修正。通過計算得到車輪的疲勞壽命分布圖，可以看出低壽命區(qū)基本集中在輪輻根部連接部位，這也是車輪靜載狀態(tài)下應(yīng)力較高的區(qū)域。疲勞壽命分布情況如圖5所示，最小壽命為4.57x104次。
5 試驗驗證分析
為了對計算結(jié)果進(jìn)行驗證，在B-600A型動態(tài)彎曲疲勞試驗機(jī)上對車輪進(jìn)行試驗，根據(jù)設(shè)計要求設(shè)定試驗次數(shù)為10萬次。循環(huán)相應(yīng)周期后，用著色滲透法檢驗車輪是否出現(xiàn)可見裂紋。試驗發(fā)現(xiàn)在法蘭盤附近輪輻接觸的部位出現(xiàn)裂紋，和計算預(yù)測的疲勞破壞部位基本吻合，疲勞試驗裂紋如圖6所示。
圖5 輪轂疲勞壽命分布圖
6 結(jié)論
(1)通過靜態(tài)有限元分析可以了解車輪的應(yīng)力分布情況，有助于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高車輪的承載能力，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。對比疲勞計算結(jié)論和試驗結(jié)果，說明疲勞壽命的仿真計算能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測疲勞失效部位，可以用于產(chǎn)品開發(fā)階段的疲勞損傷分析，提高產(chǎn)品的一次通過率，降低研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期。
(2)利用類似分析方法，結(jié)合單位載荷下的有限元計算結(jié)果和車輛道路采譜，還可以汁算零部件在真實工作環(huán)境下的疲勞損傷，有利于改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高零部件的疲勞壽命。(end)
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