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
計(jì)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(gè)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(shí)，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(xiǎn)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(shí)，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(jì)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(shí)比較適合采用主應(yīng)變準(zhǔn)則。
單軸疲勞的應(yīng)變-壽命計(jì)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(jì)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(jì)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(yàn)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(yàn)公式由彈性模量和極限強(qiáng)度估計(jì)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(jì)算的單位載荷或試驗(yàn)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(jì)算結(jié)果實(shí)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(shí)際上提供了一個(gè)隨時(shí)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(shí)，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(shí)，提取靜態(tài)分析得到的24個(gè)載荷結(jié)果響應(yīng)作為一個(gè)疲勞損傷典型載荷譜，計(jì)算時(shí)對應(yīng)力譜進(jìn)行Morrow平均應(yīng)力修正。通過計(jì)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(yàn)驗(yàn)證分析
為了對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在B-600A型動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上對車輪進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定試驗(yàn)次數(shù)為10萬次。循環(huán)相應(yīng)周期后，用著色滲透法檢驗(yàn)車輪是否出現(xiàn)可見裂紋。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在法蘭盤附近輪輻接觸的部位出現(xiàn)裂紋，和計(jì)算預(yù)測的疲勞破壞部位基本吻合，疲勞試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。對比疲勞計(jì)算結(jié)論和試驗(yàn)結(jié)果，說明疲勞壽命的仿真計(jì)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(jì)算結(jié)果和車輛道路采譜，還可以汁算零部件在真實(shí)工作環(huán)境下的疲勞損傷，有利于改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高零部件的疲勞壽命。(end)
干涉儀相關(guān)文章:干涉儀原理
評論