鄭松林,鄭鉆璽,徐洪慧,王有濤,盧蕾蕾

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093)

前言

車(chē)輪作為承載部件,是新能源汽車(chē)輕量化主要關(guān)注的目標(biāo)零件之一,傳統(tǒng)轎車(chē)車(chē)輪大多采用鋁合金結(jié)構(gòu)。鎂的比重是鋁的 2/3,而鎂合金性能與鋁合金相近。作者嘗試采用新型鑄造鎂合金代替鋁合金開(kāi)發(fā)汽車(chē)車(chē)輪,并探索利用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法對(duì)某車(chē)型的車(chē)輪進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)與分析,從而評(píng)價(jià)其強(qiáng)度可靠性及模態(tài)特性。

1 鎂合金車(chē)輪有限元建模

1.1 建模準(zhǔn)備

為配合汽車(chē)的整體外觀設(shè)計(jì),車(chē)輪造型一般都比較復(fù)雜,多為變曲率曲面組成,所以在模型上會(huì)留有一些比較小的倒圓倒角以及大量曲面構(gòu)造線,影響模型網(wǎng)格質(zhì)量。通過(guò)Hypermesh的幾何清理功能[1],可將此類倒圓倒角去除,同時(shí)也可在不影響車(chē)輪結(jié)構(gòu)前提下將部分構(gòu)造線抑制掉。在表面幾何處理完后,為便于結(jié)構(gòu)分析和保證邊界的對(duì)稱性,根據(jù)車(chē)輪幾何形狀的對(duì)稱性,將其劃分成 10等份,只選取其中一份做下一步網(wǎng)格劃分,如圖1所示。

1.2 模型建立

經(jīng)幾何清理后,應(yīng)用Hypermesh的幾何檢查功能,查看幾何體上最小的間距,在保證計(jì)算精度的同時(shí),盡量選取較大的單元尺寸,減少劃分的單元數(shù)。由于車(chē)輪造型多為變曲率曲面,為了準(zhǔn)確模擬,最后選取四面體單元,單元大小為4mm。

完成1/10車(chē)輪的網(wǎng)格劃分后,可用Hypermesh中網(wǎng)格的鏡像復(fù)制和旋轉(zhuǎn)復(fù)制來(lái)完成整體車(chē)輪的網(wǎng)格劃分。

2 鎂合金車(chē)輪動(dòng)態(tài)有限元分析準(zhǔn)則

我國(guó)汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 5334—2005乘用車(chē)車(chē)輪性能要求和試驗(yàn)方法》規(guī)定了汽車(chē)輕合金車(chē)輪的動(dòng)態(tài)彎曲疲勞性能、動(dòng)態(tài)徑向疲勞性能要求(含加載參數(shù))和試驗(yàn)方法,這些方法可作為鎂合金車(chē)輪有限元分析的準(zhǔn)則。圖 2和圖 3分別為車(chē)輪的動(dòng)態(tài)彎曲和徑向疲勞試驗(yàn)的示意圖。

2.1 鎂合金車(chē)輪動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)?zāi)M

根據(jù)規(guī)范要求,在Hypermesh中模擬動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)環(huán)境,通過(guò)約束住車(chē)輪輪圈邊緣所有節(jié)點(diǎn)3個(gè)平動(dòng)自由度而將車(chē)輪固定。

采用剛體單元將加載點(diǎn)與各螺栓孔相連,以模擬試驗(yàn)中的加載力臂,在模擬力臂的加載位置施加垂直于力臂的恒力[2]。由于在動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)中,車(chē)輪承受旋轉(zhuǎn)彎矩,此處通過(guò)改變力的加載方向來(lái)模擬彎矩位置的變化,同時(shí)考慮到車(chē)輪的幾何形狀對(duì)稱,可在車(chē)輪 1/5即 72°的范圍內(nèi)加載,每隔 9°施加一個(gè)力,設(shè)置 8個(gè)不同方向的彎矩工況分別進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,具體加載如圖4所示。

2.2 鎂合金車(chē)輪動(dòng)態(tài)徑向疲勞試驗(yàn)?zāi)M

根據(jù)規(guī)范要求,在Hypermesh中模擬動(dòng)態(tài)徑向疲勞試驗(yàn)環(huán)境,采用剛體單元將5個(gè)螺栓孔和車(chē)輪相連,通過(guò)約束車(chē)輪所有自由度將車(chē)輪固定。

在動(dòng)態(tài)徑向疲勞試驗(yàn)中,車(chē)輪必須裝上對(duì)應(yīng)的輪胎再安裝到轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上,所以車(chē)輪實(shí)際受到的是輪胎胎壓分布力,作用范圍是在 1/4輪輞的內(nèi)外兩側(cè),分布力大小按余弦分布,中間最大,到兩邊為零[2-3],如圖 5所示。

車(chē)輪徑向分布力為

式中:Wr為徑向分布力;Wo為最大徑向分布力;θ為加載偏轉(zhuǎn)角;θ0為最大加載偏轉(zhuǎn)角。

車(chē)輪徑向力合力Fr為

式中:b為輪胎座受力寬度;rb為輪胎座半徑。

由于試驗(yàn)規(guī)范中載荷控制量是徑向壓力載荷,而計(jì)算帶函數(shù)的分布載荷比較麻煩。在此具體情況下,在計(jì)算車(chē)輪應(yīng)力狀態(tài)的同時(shí)計(jì)算輪心處的約束反力,其效果就等于求出了胎壓分布力的合力,通過(guò)檢查合力是否等于試驗(yàn)要求加載的徑向力來(lái)檢驗(yàn)所施加的胎壓分布力大小是否合理。具體載荷施加如圖 6所示。同樣,車(chē)輪的動(dòng)態(tài)徑向疲勞試驗(yàn)也是在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下完成,所以軟件模擬時(shí)也應(yīng)調(diào)整其分布力的加載中心,在 72°的范圍內(nèi),每隔 9°設(shè)置 1個(gè)工況。

3 鎂合金車(chē)輪有限元分析

在Hypermesh中做好網(wǎng)格劃分及工況的設(shè)置后,導(dǎo)入MSC.Nastran解算器中進(jìn)行求解運(yùn)算,并選用von Mises應(yīng)力作為強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)。

von Mises是一種屈服準(zhǔn)則,又稱第四強(qiáng)度理論。von Mises屈服條件可解釋為:當(dāng)材料八面體上的剪應(yīng)力達(dá)到某一極限值時(shí),材料開(kāi)始屈服。屈服準(zhǔn)則的值稱為Mises等效應(yīng)力,其計(jì)算公式為

式中:σm為 Mises等效應(yīng)力;σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力。

第四強(qiáng)度理論認(rèn)為形狀改變比能是引起材料流動(dòng)破壞的主要原因。由于車(chē)輪主要是以疲勞破壞為主,所以選用von Mises應(yīng)力作為分析評(píng)價(jià)參數(shù)比較合適。分析評(píng)價(jià)結(jié)果如圖 7和圖 8所示。

在動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)中,最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在5個(gè)螺栓孔周?chē)?最大值為108.7MPa;在動(dòng)態(tài)徑向疲勞試驗(yàn)中,最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在輪圈內(nèi)側(cè)加載點(diǎn)處,最大值為68.7MPa。參考其他大多數(shù)輕合金車(chē)輪的有限元分析和試驗(yàn)[4-8],結(jié)果基本一致。

車(chē)輪的材料為JDM1鑄造鎂合金,彎曲疲勞極限為 110MPa,對(duì)應(yīng)疲勞壽命為1×107。車(chē)輪在兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)M中的最大應(yīng)力值均小于疲勞極限值,即壽命都大于 1×107,皆滿足規(guī)范規(guī)定的動(dòng)態(tài)彎曲疲勞和動(dòng)態(tài)徑向疲勞的試驗(yàn)中,試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的要求。

4 鎂合金車(chē)輪模態(tài)分析

利用有限元法進(jìn)行車(chē)輪模態(tài)計(jì)算,可得到車(chē)輪的固有頻率和振型。

考慮車(chē)輪的實(shí)際工作情況并簡(jiǎn)化,在車(chē)輪內(nèi)側(cè)法蘭面上施加固定約束[9]。計(jì)算得到該鎂合金車(chē)輪各階模態(tài)固有頻率相應(yīng)的振型圖如圖 9所示。經(jīng)與原始的鋁合金車(chē)輪的模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比,

其振型基本一致,表 1為兩種材料的車(chē)輪模態(tài)頻率數(shù)據(jù)對(duì)比。

表1 鎂合金車(chē)輪與鋁合金車(chē)輪各階固有頻率對(duì)比

由表 1可見(jiàn),用鎂合金代替鋁合金制造車(chē)輪,各階固有頻率都有所減小,但其變化率都不超過(guò) 2%,可見(jiàn)鎂合金材料車(chē)輪能夠滿足車(chē)輛的使用要求。

5 結(jié)論

目前鎂合金車(chē)輪已進(jìn)行了近兩年的使用試驗(yàn),未出現(xiàn)任何失效征兆和不利的關(guān)聯(lián)影響。鎂合金車(chē)輪比鋁合金車(chē)輪約減輕 3.95kg,4個(gè)車(chē)輪總計(jì)約減輕16kg,輕量化效果明顯。

(1)鎂合金不僅只局限于制造汽車(chē)的非承載結(jié)構(gòu)件,還可用來(lái)制造承受動(dòng)態(tài)載荷的結(jié)構(gòu)零部件。

(2)通過(guò)強(qiáng)度分析與計(jì)算,結(jié)合使用試驗(yàn),表明鎂合金車(chē)輪代替鋁合金車(chē)輪,能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的疲勞強(qiáng)度要求。

(3)應(yīng)用鎂合金代替鋁合金,可在汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)中獲得明顯的輕量化效果,也為其它重要結(jié)構(gòu)部件的鎂合金應(yīng)用提供了有益參考。

[1] 劉榮軍.有限元建模中的幾何清理問(wèn)題[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2005(9):145-147.

[2] Stearns J.Understanding the Influence of Pressure and Radial Loads on Stress and Displacement Response of a Rotating Body:The AutomobileWheel[J].International Journal of Rotating Machinery, 2006,60193:1-8.

[3] Stearns J.Modeling the Mechanical Response of an Alum inum Alloy Automotive Rim[J].Materials Science and Engineering,2004, 366(2):262-268.

[4] 張國(guó)智.轎車(chē)鋁合金車(chē)輪臺(tái)架試驗(yàn)的有限元數(shù)值模擬[D].秦皇島:燕山大學(xué),2005.

[5] 王立輝.鋁合金車(chē)輪的強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2002.

[6] 張響.鋁合金車(chē)輪彎曲試驗(yàn)疲勞壽命預(yù)測(cè)研究[J].機(jī)械強(qiáng)度, 2008,30(4):673-677.

[7] 韋東來(lái),崔振山.鋁合金車(chē)輪徑向疲勞試驗(yàn)的數(shù)值仿真[J].機(jī)械強(qiáng)度,2008,30(6):998-1002.

[8] 韓兵,朱茂桃,張永建.鋁合金車(chē)輪動(dòng)態(tài)彎曲疲勞壽命預(yù)測(cè)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(5):208-210.

[9] 孫紅梅.轎車(chē)鋁合金車(chē)輪模態(tài)計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].秦皇島:燕山大學(xué),2007.