钢制车轮疲劳性能分析及轮辐旋压成形工艺参数研究

摘要

车轮是汽车重要的传动部件，其质量对汽车的行驶性能和安全性具有直接影响。无内胎钢制车轮因其生产成本低、承载能力强等特点，大量应用于商用载重车辆。因车轮在服役中主要失效形式是疲劳破坏，故准确地预测车轮疲劳寿命对提高车轮的设计制造水平具有重要意义。同时，在钢制车轮生产工艺中，轮辐旋压成形是影响钢制车轮产品质量的关键工序。因此，对车轮疲劳性能和轮辐旋压工艺进行研究具有重要的理论与现实意义。
　　本文对多种型号车轮进行了弯曲疲劳试验，测得了车轮的疲劳寿命，确定了车轮疲劳裂纹发生位置;基于ANSYS Workbench软件建立了多种型号车轮弯曲疲劳和径向疲劳试验过程的有限元分析模型，分析了车轮在试验工况下的应力分布情况，揭示了车轮通风孔处的应力应变状态和应力循环规律。
　　基于车轮疲劳试验过程的有限元分析结果，研究了将疲劳分析软件Fe-safe与有限元分析相结合应用于车轮疲劳寿命预测的方法，采用了多种疲劳寿命算法和平均应力修正方法计算了车轮疲劳寿命;通过与车轮疲劳试验结果的对比，确定了误差最小、准确性最高的疲劳寿命预测方法，研究发现临界面法相比常用的名义应力法和局部应力—应变法具有更高的预测准确性，名义应力法和局部应力—应变法的预测误差约为147％，而临界面法的预测误差仅为12.7％。
　　通过对两种具有不同形状轮辐的同型号车轮的对比研究，分析了不同轮辐形状对试验工况下车轮应力水平和疲劳寿命的影响规律;研究了采用Optistruct软件将拓扑优化技术应用到轮辐截面形状优化的方法，基于各向正交罚材料密度法将轮辐设计空间内单元的密度作为优化变量，在弯曲疲劳和径向疲劳试验载荷下，以轻量化为目标，以最大等效应力为约束条件，获得了轮辐截面最佳传力路径，给出了轮辐的最优截面形状。
　　基于有限元分析软件ABAQUS，本文研究了轮辐旋压过程有限元建模方法，有效提高了计算效率。根据ABAQUS软件的特点，通过将坯料的自转转化为旋轮的公转，从而能够将质量缩放系数设置成较大数值同时避免虚拟惯性力对分析结果的不良影响，进而实现了增大计算迭代步长，建立了能够大幅度缩短计算时间的轮辐旋压过程有限元模型，与传统常见建模方法相比，将模型计算时间缩短了85％以上，使有限元分析技术更具工程实用性。研究了旋压过程中的材料流动、板料壁厚变化、应力场、应变场等分布规律。通过试验设计，研究了不同旋轮进给轨迹、旋轮轴向错距等参数对旋压成形质量的影响规律，优化了旋轮进给轨迹与旋轮轴向错距的匹配。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 钢制车轮产品特点及制造工艺

1．2．1 钢制车轮产品特点

1．2．2 无内胎钢制车轮生产工艺流程

1．3 车轮疲劳性能分析的研究现状

1．3．1 有限元分析

1．3．2 疲劳寿命预测

1．3．3 结构优化

1．4 车轮成形工艺的研究现状

1．4．1 轮辐旋压工艺

1．4．2 轮辋滚型工艺

1．5 目前研究存在的主要问题

1．6 本文的主要研究内容

第二章 车轮疲劳试验与有限元应力分析

2．1 引言

2．2 车轮疲劳试验

2．2．1 车轮疲劳试验方法

2．2．2 失效判定

2．2．3 弯曲疲劳试验结果

2．3 弯曲疲劳试验过程有限元建模方法

2．3．1 材料模型

2．3．2 有限元离散模型

2．3．3 边界条件

2．4 22．5×8．25型车轮弯曲疲劳试验过程模拟结果

2．4．1 应力分析

2．4．2 通风孔区域局部应力分布分析

2．5 不同轮辐截面形状对应力水平的影响研究

2．5．1 弯曲疲劳试验过程有限元模型

2．5．2 径向疲劳试验过程建模方法

2．5．3 弯曲疲劳工况下轮辐形状对车轮应力水平的影响

2．5．4 径向疲劳工况下轮辐形状对车轮应力水平的影响

2．6 本章小结

第三章 车轮疲劳寿命预测及轮辐截面形状优化

3．1 引言

3．2 车轮疲劳寿命预测的相关理论

3．2．1 常用疲劳寿命预测理论

3．2．2 影响疲劳寿命结果准确性的因素分析

3．2．3 疲劳性能参数估算

3．3 基于疲劳分析软件Fe-safe的车轮疲劳寿命预测

3．3．1 前处理技术

3．3．2 后处理技术

3．4 计算结果分析与讨论

3．4．1 平均应力修正方法对疲劳寿命预测结果的影响

3．4．2 疲劳算法对疲劳寿命预测结果的影响

3．4．3 影响疲劳寿命的因素

3．4．4 轮辐形状对车轮疲劳寿命的影响

3．5 轮辐形状优化

3．5．1 无通风孔轮辐的应力分析

3．5．2 轮辐截面拓扑优化方法

3．5．3 优化结果分析与讨论

3．6 本章小结

第四章 轮辐旋压过程有限元建模方法及旋轮轨迹优化

4．1 引言

4．2 旋压过程有限元分析建模方法

4．2．1 部件及装配模型

4．2．2 材料模型

4．2．3 分析步设置

4．2．4 接触关系设置

4．2．5 网格模型

4．2．6 边界条件设置

4．2．7 改进模型的边界条件设置

4．3 22．5×9．0型轮辐旋压模拟结果分析

4．3．1 改进模型的有效性验证

4．3．2 两种模型的计算时间对比

4．3．3 旋压力

4．3．4 应力应变分析

4．4 17．5×6．25型轮辐旋压工艺方案制定

4．4．1 坯料尺寸

4．4．2 成形工艺分析

4．4．3 进给率

4．4．4 旋轮轨迹

4．5 17．5×6．25型轮辐粗旋轮进给轨迹优化

4．5．1 轨迹优化方案

4．5．2 结果分析

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢