CN104537241B - 车轮钢圈疲劳分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供一种车轮钢圈疲劳分析方法，包括以下步骤：A、预设边界约束条件、材料参数与工况条件，用有限元法建立被测车轮钢圈模型；B、对模型施加6个方向的载荷，建立应力云图，确定各方向载荷下应力集中点作为危险点，在6个方向中确定危险载荷方向；C、测量各云图确定的危险点和经验已知的危险点的Mises应力、X、Y以及Z方向应力，确定最大方向应力为危险点的应力方向；D、结合预设的材料参数及步骤C得到的应力数据计算各个测试区域的疲劳寿命N，计算出的疲劳寿命中的最小值即为被测钢圈的最小疲劳寿命。该方法克服现有技术车轮钢圈设计开发周期长，成本高的缺陷，具有计算精确、运算效率高的特点。

Description

车轮钢圈疲劳分析方法
技术领域
本发明涉及汽车零部件涉及领域，具体涉及一种车轮钢圈疲劳分析方法
背景技术
车轮是衡量当今汽车产业发展水平的重要因素，汽车使用中一系列的安全性，包括轮胎磨损、燃油消耗及人员本身的操作方便程度都系于车轮在为汽车提供动力时的准确度，因此车轮为整车提供质量上的优越程度就变得很重要。鉴于在行驶过程中随机载荷中主要为疲劳载荷时常作用于车轮，由于车轮出现损毁的主要来源是工作行驶中产生的弯曲载荷，因此疲劳寿命成为车轮制造中主要研究的问题，即确保破坏与断裂尽量不发生在车轮的工作年限之内。现有车轮钢圈设计大多是采用经验公式计算或者参照样机进行，然后通过试样不断对结构进行修改优化，直到满足工作要求为止，因此存在开发周期长，成本高的缺陷。
发明内容
本发明旨在提供一种车轮钢圈疲劳分析方法，该方法克服现有技术车轮钢圈设计开发周期长，成本高的缺陷，具有计算精确、运算效率高的特点。
本发明技术方案如下：一种车轮钢圈疲劳分析方法，包括以下步骤：
A、预设边界约束条件、材料参数与工况条件，用有限元法建立被测车轮钢圈模型；
B、对模型施加6个方向的载荷，各方向彼此之间成60度角，建立应力云图，确定各方向载荷下应力集中点作为危险点，将6个方向中的载荷条件下的最大应力值最高的方向作为危险载荷方向；
C、测量各云图确定的危险点和经验已知的危险点的Mises应力、X方向应力、Y方向应力以及Z方向应力，确定最大方向应力为危险点的应力方向；
D、结合预设的材料参数及步骤C得到的应力数据计算各个测试区域的的疲劳寿命N，计算出的疲劳寿命中的最小值即为被测钢圈的最小疲劳寿命。
所述的步骤D中，疲劳寿命N的计算式如下：
其中，Δε为局部应变幅值，σf'为疲劳强度系数，εf'为疲劳延性系数，E为弹性模量，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数，σmax为最大应力值；b’为结合了零件的表面加工与尺寸影响后的修正疲劳强度指数，其值为：
其中，σ-1为对称弯曲疲劳极限，ε为尺寸系数，β为表面系数，σm为平均应力。
作为其优选方案，所述经验已知的危险点包括：钢圈螺栓孔处、钢圈与轮辋焊缝处、轮辐与法兰轴连接大孔处。
本发明疲劳寿命N计算式化简过程如下：
改进史密斯公式为：
本发明车轮钢圈疲劳分析方法通过有限元法建立钢圈模型，并对其施加6个方向的载荷进行应力分析，将应力集中的区域作为危险点，后续的应力测试则针对危险点(薄弱环节)进行，保证能够获取到被测钢圈最小的疲劳寿命，减小测试误差；6个方向载荷的施加，可以确保本发明方案能够分析出在不同位置不同情况下钢圈应力的变化情况，保证测试分析的准确与全面；后续对于危险点测量得到各个方向的载荷情况下的Mises应力、X方向应力、Y方向应力以及Z方向应力，根据得到的应力数据以及被测钢圈的材料参数，通过史密斯公式计算得到被测钢圈的疲劳寿命；上述化简后的史密斯公式变量更少，计算更为简单，计算效率更高。
附图说明
图1为本发明车轮钢圈疲劳分析方法的流程图
图2为实施例1的6个载荷方向示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例具体说明本发明。
本实施例车轮钢圈疲劳分析方法包括以下步骤：
本实施例用有限元法建立被测车轮钢圈模型，预设工况为弯矩为20Kn.m，边界约束条件为在被测钢圈同侧挡圈圆环面上施加约束，对模型施加6个方向的载荷，各方向彼此之间成60度角，建立应力云图，确定各方向载荷下应力集中点作为危险点，本实施例应力云图上得到的危险点为通风孔小孔处以及通风孔缺口方向两侧，经验已知的危险点包括：钢圈螺栓孔处、钢圈与轮辋焊缝处、轮辐与法兰轴连接大孔处，将上述6个危险点分别定义为测试点1-6，利用Workbench中的Stress Tool工具获取测试点1-6的应力数据，如表1-6所示：
表1测试点1的应力计算结果
方向 X轴方向应力(Mpa) Y轴方向应力(Mpa) Z轴方向应力(Mpa) Mises应力(Mpa)
1 8.5048 19.983 23.905 49.449
2 5.8275 11.439 14.124 28.417
3 2.7342 9.0199 9.9385 21.707
4 -8.459 -19.791 -23.748 49.06
5 -5.7169 -11.334 -14.008 28.106
6 2.7597 8.6929 9.8325 21.345
表2测试点2的应力计算结果
方向 X轴方向应力(Mpa) Y轴方向应力(Mpa) Z轴方向应力(Mpa) Mises应力(Mpa)
1 -4.5539 -1.959 -20.771 26.648
2 -12.202 -10.315 -74.317 92.861
3 -7.7859 -8.6783 -52.935 66.027
4 4.6138 1.8875 20.791 26.664
5 12.005 10.429 72.59 90.806
6 7.2712 8.3371 51.865 64.411
表3测试点3的应力计算结果
方向 X轴方向应力(Mpa) Y轴方向应力(Mpa) Z轴方向应力(Mpa) Mises应力(Mpa)
1 -4.5728 -2.071 -21.555 26.743
2 7.9253 8.3465 56.519 70.258
3 12.346 10.189 78.001 96.845
4 4.9438 2.2953 21.307 27.118
5 -7.6496 -8.5871 -54.546 67.899
6 -12.386 -10.678 -76.67 95.595
表4测试点4的应力计算结果
方向 X轴方向应力(Mpa) Y轴方向应力(Mpa) Z轴方向应力(Mpa) Mises应力(Mpa)
1 -0.78167 -19.21 -23.441 21.309
2 -2.618 -11.98 -6.3281 9.2744
3 -1.7888 7.5567 17.156 16.425
4 0.79081 19.411 23.482 21.385
5 2.5572 11.69 6.4606 9.0768
6 1.7654 -7.3199 -16.66 15.972
表5测试点5的应力计算结果
方向 X轴方向应力(Mpa) Y轴方向应力(Mpa) Z轴方向应力(Mpa) Mises应力(Mpa)
1 -0.55158 4.1786 -3.7229 10.806
2 -3.1035 -1.1759 -4.2292 5.3022
3 -2.2228 -5.4052 -0.00526 11.134
4 -0.17186 -2.1964 2.0819 8.0038
5 0.63999 -0.37207 0.99632 1.4141
6 0.83417 1.8488 -0.93678 6.8572
表6测试点6的应力计算结果
方向 X轴方向应力(Mpa) Y轴方向应力(Mpa) Z轴方向应力(Mpa) Mises应力(Mpa)
1 -0.46127 -31.1 -25.805 28.397
2 -0.21304 -15.787 -12.033 14.092
3 0.24903 15.32 13.874 14.477
4 0.45331 30.764 25.645 28.133
5 0.16579 14.804 11.606 13.346
6 -0.22313 -13.893 -13.051 13.335
由上述数据，可以计算得到各个测试点的最大应力值σmax以及平均应力σm，并结合预设的材料参数代入式(1)，即可求得各测试点疲劳寿命，上述疲劳寿命的最小值即为被测钢圈的疲劳寿命；
本实施例材料参数如表7、表8所示：
表7实施例1材料参数
疲劳强度系数σf'(Mpa) 658.8
疲劳延性系数εf'(mm) 0.2747
弹性模量E(Gpa) 198.753
疲劳强度指数b -0.0709
疲劳延性指数c -0.4907
对称弯曲疲劳极限σ-1(Mpa) 210
尺寸系数ε 0.73
表面系数β 1
表8实施例1材料参数中的局部应变幅值Δε
由上述参数结合应力数据计算得到本实施例被测钢圈的最小寿命为3051210次。
本实施例仅是对弯矩为20Kn.m的工况进行疲劳寿命分析举例，对于不同工况均可参照上述方法进行疲劳寿命分析。

Claims (1)

1.一种车轮钢圈疲劳分析方法，其特征在于包括以下步骤：
A、预设边界约束条件、材料参数与工况条件，用有限元法建立被测车轮钢圈模型；
B、对模型施加6个方向的载荷，各方向彼此之间成60度角，建立应力云图，确定各方向载荷下应力集中点作为危险点，将6个方向中的载荷条件下的最大应力值最高的方向作为危险载荷方向；
C、测量各云图确定的危险点和经验已知的危险点的Mises应力、X方向应力、Y方向应力以及Z方向应力，确定最大方向应力为危险点的应力方向；
D、结合预设的材料参数及步骤C得到的应力数据计算各个测试区域的的疲劳寿命N，计算出的疲劳寿命中的最小值即为被测钢圈的最小疲劳寿命；
所述的步骤D中，疲劳寿命N的计算式如下：
<mrow> <mi>N</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mroot> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>E&amp;sigma;</mi> <mi>max</mi> </msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;epsiv;</mi> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>f</mi> </msub> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mn>3</mn> </mrow> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> </mfrac> <mrow> <mn>3</mn> <msup> <mi>b</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>+</mo> <mi>c</mi> </mrow> </mroot> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>;</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
其中，Δε为局部应变幅值，σf'为疲劳强度系数，εf'为疲劳延性系数，E为弹性模量，c为疲劳延性指数，σmax为最大应力值；b’为结合了零件的表面加工与尺寸影响后的修正疲劳强度指数，其值为：
<mrow> <msup> <mi>b</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>lg</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>lg</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>f</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>lg&amp;sigma;</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mi>lg</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>f</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mi>b</mi> </mrow>
其中，σ-1为对称弯曲疲劳极限，ε为尺寸系数，β为表面系数，σm为平均应力，b为疲劳强度指数；
所述经验已知的危险点包括：钢圈螺栓孔处、钢圈与轮辋焊缝处和轮辐与法兰轴连接大孔处；
其中σf'＝658.8，εf'＝0.2747，E＝198.753，b＝-0.0709，c＝-0.4907，σ-1＝210，ε＝0.73，β＝1。
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