鋁車輪沖擊試驗失效案例及其有限元分析_陸斌_圖文

1、陸斌(南京華舜輪轂有限公司摘要本文以一款6J×15鋁車輪為例,分別從時效過程和結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩方面對其13°沖擊試驗的失效機理進行了研究,結(jié)合車輪實際的材料特性、熱處理工藝和測試結(jié)果建立了以破壞應(yīng)變?yōu)榕卸蕜t的有限元分析模型,并對其工藝和設(shè)計中的改進措施作了驗證。關(guān)鍵詞:車輪沖擊試驗有限元鋁車輪沖擊試驗失效案例及其有限元分析車輪是汽車上重要的安全件,汽車行駛過程中路邊飛石對車輪的沖擊,可能造成輪輻與輪輞脫離,或者輪胎短時內(nèi)泄氣,因此對于汽車鋁車輪的耐沖擊研究是一個重要課題。常采用有限元分析的方法,通過建立非線形力學(xué)模型來求解沖擊碰撞問題,如文獻1利用非線性有限單元理論及成熟的商用

2、非線形有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進行車輪耐沖擊性的數(shù)值模擬和仿真,克服了以往采用靜載荷乘以動載荷系數(shù)的方法加載于模型的局限性2,但整個過程卻沒有考慮車輪實際生產(chǎn)中的材料差異和工藝過程,所以在用來解決現(xiàn)場實際問題時,往往會產(chǎn)生很大的偏差。另外,對于分析結(jié)果采用的判定準則是應(yīng)力數(shù)值的大小,而沖擊過程中塑性應(yīng)變的變化,才能更準確地反映車輪各部位產(chǎn)生變形的真實情況。在鋁車輪的性能試驗中,沖擊試驗的失效率通常較高,原因是鋁車輪的耐沖擊性不僅與產(chǎn)品的造型結(jié)構(gòu)有關(guān),同時車輪所選材料的性能和熱處理工藝過程對其性能的影響也不容忽視。一方面,鋁合金材料在加熱后壓鑄到車輪模具時,可能會造成分布不均勻,在鑄

3、造過程中從工藝要求考慮,常會添加一些變質(zhì)劑、打渣劑等,這些都會導(dǎo)致車輪各部位的強度不同或是應(yīng)變不同;另一方面,鋁車輪所采用的A356合金材料,其熱處理工藝,按產(chǎn)品使用性能要求分為強化時效T6(淬火+完全時效和軟化時效T5(淬火+不完全時效兩類,當(dāng)要求產(chǎn)品獲得較高強度,而塑性指標要求不是很高時,可選用強化時效,如果要求產(chǎn)品具有較高塑性,而強度要求不是很高時,則選用軟化時效3。所以對車輪進行耐沖擊研究時,其機械性能指標必須依據(jù)從經(jīng)不同熱處理工藝后的車輪本體取樣進行測試,再將實際的試驗結(jié)果提供給有限元軟件進行數(shù)值分析,并通過各部位破壞應(yīng)變的數(shù)值來指導(dǎo)車輪的設(shè)計優(yōu)化和工藝改進,本文就一款6J×

4、;15鋁車輪,從熱處理的時效過程和結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩方面對其13°沖擊試驗的失效機理進行了研究,結(jié)合車輪實際的材料特性、熱處理工藝和測試結(jié)果建立了以破壞應(yīng)變?yōu)榕卸蕜t的有限元分析模型,并對其工藝和設(shè)計中的改進措施作了驗證。1.1試驗裝置沖擊試驗SAE J1754道路車輛一車輪一沖擊試驗規(guī)程的初版和修訂版開發(fā)了模擬車輪在車輛行駛時受側(cè)面沖擊時的情形,試驗設(shè)備(見圖1是一個可以將沖擊載荷施加到裝有輪胎車輪的輪輞輪緣上的裝置。為了使垂直下落的沖頭能與輪輞的最高點接觸,按車輪軸線與沖頭垂直下落方向成13°士1°角的方式安裝車輪。沖頭的沖擊面長不小于375mm,寬不小于125mm。

5、為適應(yīng)各種規(guī)格和形狀的車輪做沖擊試驗,整個車輪支架的位置應(yīng)可引言1沖擊試驗以調(diào)節(jié)。 沖頭置于輪胎上方,其帶有圓角的沖擊面刃緣應(yīng)與輪輞輪緣重疊25±1mm 。沖頭的下落高度應(yīng)在輪輞輪緣的最高點上方230±2mm 。試驗的失效準則是:出現(xiàn)下列情況之一即判定為損壞(車輪的變形或與沖頭相接觸的輪輞斷面的斷裂除外:1輪輻的任一斷面處有目測可見的穿透裂紋;2輪輻從輪輞上分離;3輪胎氣壓在1分鐘內(nèi)漏盡。 1.2案例如圖2所示,試樣為一款經(jīng)T6熱處理后的6J ×15鋁車輪,載荷為625Kg,其沖擊位置位于氣門嘴所在的窗口。按SAE J175提供的公式,算出沖錘質(zhì)量:D =0.6W

6、+180式中D:沖錘質(zhì)量±2%,kgW:最大車輪靜載荷,按照車輪和(或汽車制造廠的規(guī)定,kg最終確定的沖擊試驗條件見表1:1.3試驗結(jié)果按上述試驗要求,分別對兩件鋁車輪實施沖擊后的結(jié)果如圖3圖4: 2.1材料性能2.1.1化學(xué)成分圖1SAE J175側(cè)向沖擊試驗裝置圖2沖擊試驗車輪表1車輪沖擊試驗參數(shù)項目要求沖錘質(zhì)量沖擊高度使用輪胎充氣壓力螺栓扭矩沖擊數(shù)量555kg 230±2mm 205/55R16200kPa110N ·m 2件圖3輪輻斷裂(C輪盤有明顯裂紋(S圖4輪輻與輪輞分離2有限元模型的建立元素Si Mg Cu Mn Fe Zn 合金A356車輪6.5-

7、7.56.90.25-0.450.33<0.20.1<0.10.01<0.20.16<0.10.01表2鋁車輪的化學(xué)成分(%圖9模擬胎壓圖7應(yīng)力應(yīng)變平均曲線2.1.2機械性能如圖5所示,從車輪a 、b 、c 1、c 2四處各取1個如圖6的試樣,所得到的應(yīng)力應(yīng)變平均曲線如圖7,根據(jù)試驗取得的數(shù)據(jù),采用ASTM B557M-065規(guī)定的方法,計算各項指標,并取其平均值如下:彈性模量66.0953Gpa,屈服強度189.074MPa,屈服應(yīng)變0.286%,破壞強度252.283MPa,破壞應(yīng)變4.5575%。2.2有限元模型的建立如圖8,采用成熟的商用非線形有限元軟件ANSY

8、S/LS-DYNA 進行車輪耐沖擊性的數(shù)值模擬和仿真1,模擬胎壓如圖9。3.1熱處理工藝對車輪耐沖擊性的影響3.1.1鋁車輪的熱處理工藝表3列出了GB/T 1173-1995規(guī)定的熱處理工藝規(guī)范,兩種工藝固溶和淬火時間一樣,所不同的只是時效工藝,T5為不完全人工時效,而T6為完全人工時效 。圖5 取樣位置圖6 試樣尺寸1-沖錘2-車輪3-輪胎4-底座圖8 沖擊試驗有限元分析模型3結(jié)果分析與改進效果表3鑄造鋁合金熱處理工藝規(guī)范6合金牌號合金代號合金狀態(tài)ZAlSi7MgAZL101A (A356固溶處理溫度時間h 時效溫度時間h T5T6535±5535±5612612室溫再1

9、55±5室溫再180±5不少于8212不少于838背面正面圖10案例研究1的有限元分析時效強化是鋁合金的主要強化手段,形成強化的原因一般可用位錯理論解釋。傳統(tǒng)T6熱處理的鋁合金組織中,GP 區(qū)富集了大量的Mg 、Si 原子,引起晶格畸變,Mg 、Si 原子繼續(xù)富集并有序化,在晶界上或螺旋位錯上直接沉淀出來,形成'相,阻礙位錯運動,其表現(xiàn)為強度和硬度較高。材料在沖擊載荷作用下的沖擊韌度取決于沖擊載荷作用下的裂紋萌生和擴展情況。裂紋的萌生取決于材料的微觀組織、夾雜物含量和強度水平。裂紋的擴展取決于裂紋擴展的阻力,而裂紋的擴展阻力與裂紋的擴展自由程有關(guān)。由于裂紋擴展自由程

10、往往取決于合金的微觀組織,因此細小的微觀組織有利于減小裂紋擴展的自由程,增強裂紋的擴展阻力,從而有利于增加材料的斷裂韌度7。3.1.2案例研究1如圖3所示,鋁車輪經(jīng)沖擊以后輪輻斷裂,輪盤處有明顯裂紋,嚴重時輪輻與輪輞分離(圖4。從圖10有限元分析的結(jié)果可以看出,高應(yīng)變區(qū)域即為相關(guān)的明顯裂紋和斷裂區(qū)域,如輪盤位置和輪輻根部,而輪輞和胎圈座部位并未發(fā)生大的應(yīng)變。針對圖3、圖4的沖擊試驗失效模式,首先采取的改進措施是僅將車輪的熱處理工藝由T6改為T5,而車輪結(jié)構(gòu)未做任何修改,該法適合于顧客不接收設(shè)計修改的情形,采用不完全人工時效工藝以后,輪輻和輪盤位置機械性能的變化如表4,此時輪輻和輪盤處的伸長率均

11、大于圖10中的計算值,車輪通過了試驗,從圖11可以看出,輪盤、輪輻和輪輞區(qū)域的金相組織改善比較明顯。3.2車輪結(jié)構(gòu)對其耐沖擊性的影響3.2.1案例研究2如圖3中C 位置所示,鋁車輪經(jīng)沖擊以后,裂紋發(fā)生在輪輻的尾部,表示在沖擊過程中該部位受到類似剪力的作用,加上破壞部位結(jié)構(gòu)強度太弱而引起破壞,應(yīng)加強該部位的強度(如圖12中將輪輻與輪輞間的過渡圓半徑R 1加大到R 2,同時降低輪緣厚度(由t 1改為 t 2,使其在沖擊時先于輪輻遭到破壞。抗拉強度(MPa屈服強度(MPa伸長率(% 輪輻T6 輪輻T5輪盤T6輪盤T52772432702512301942251873.5%5.6%4%8.5%表4不同

12、熱處理工藝時的機械性能a輪盤b輪輻c輪輞圖11T5工藝后車輪的金相組織 修改前修改后圖12案例研究2的車輪設(shè)計修改 圖13案例研究2的車輪設(shè)計修改后的有限元分析圖13是按案例研究2修改后的有限元分析結(jié)果,與圖10的結(jié)果對比可以看出:車輪輪輞輪輻連接處的應(yīng)變值從修改前的5.1%下降到了3.1%,遠低于圖7所示的破壞應(yīng)變值4.5575%。 3.2.2案例研究3如圖3中S 位置所示,鋁車輪經(jīng)沖擊以后,裂紋發(fā)生在輪輻靠近輪盤中央的位置(圖14車輪剖視圖中A 處的圓弧,表示破壞部位的結(jié)構(gòu)太弱要求加強,或者是輪緣部位或輪輻根部太強,在沖擊過程中無法吸收部分沖擊能量,以致于破壞部位是受到類似彎曲力矩的作用而

13、造成的。修改時除增大A 處圓弧的半徑外,也必須適當(dāng)降低輪緣厚度,圖15是修改前后有限元分析結(jié)果的對比。3.2.3案例研究4 圖14案例研究3的車輪剖面圖15案例研究3修改前后有限元分析對比修改前修改后修改前 技術(shù)縱橫 輕型汽車技術(shù) （）總 材料特性， 建立以破壞應(yīng)變?yōu)榕卸蕜t的車輪沖擊 試驗有限元分析模型， 能更好地指導(dǎo)現(xiàn)場的產(chǎn)品結(jié) 構(gòu)優(yōu)化和工藝過程改進。 參考文獻 方倫浩基于有限元法的鋁合金輪轂?zāi)蜎_擊 研究輕型汽車技術(shù)， （）： 修改后 閏勝昝，童水光，朱訓(xùn)明鋁合金車輪沖擊試 驗有限元分析水利電力機械， （）： 王榮濱鑄造鋁合金缺陷分析與熱處理工藝 研究有色金屬加工， （）： 鑄造鋁合金 劉

14、栓江，李建新，劉忠俠熱處理對 力學(xué) 性能的影響安陽工學(xué)院學(xué)報， （）： 圖 案例研究 的車輪設(shè)計修改 沖擊試驗后， 如果輪胎氣壓在 分鐘內(nèi)漏盡， 通 常都是輪輞出現(xiàn)了裂紋，原因是輪緣部分的厚度大 于輪輞的壁厚 （如圖 ）， 在車輪設(shè)計評審和機械 加工時應(yīng)引起足夠的重視，以杜絕此類失效事件發(fā) 生。 4 結(jié) 論 鋁合金車輪的耐沖擊性能，不僅與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相 關(guān)， 其熱處理過程中不同時效工藝的影響更為顯著。 采用 商用軟件，基于車輪的實際 ! 日產(chǎn)研發(fā)無線電動汽車充電系統(tǒng) 電動汽車已經(jīng)成為未來汽車發(fā)展的方向之一， 其零排放污染的特點成為最具優(yōu)勢之處。但給電動 汽車充電成為一項很麻煩的事情。 近日，日產(chǎn)汽車公司研發(fā)了一項非接觸充電系 統(tǒng)技術(shù)，電動汽車無需連接長的電線，即可實現(xiàn)充 電。 日產(chǎn)汽車在該公司舉行的 “2009 先進技術(shù)說 明會 ” 上， 公開了目前正在開發(fā)的電動汽車用非接 觸充電系統(tǒng)，其目標是在 2010 年度上市的新一代 電動汽車上配備該系統(tǒng)。 在先進技術(shù)說明會的展示會場， 該公司在 2000 年上市的電動汽車 “Hype rm ini” 上配備非接觸充電 系統(tǒng)進行了充電演示。這個非接觸充電系統(tǒng)由日產(chǎn) 與昭和飛機工業(yè)公司共同開發(fā)， 原理是采用了可在 供電線圈和受電線圈之間提供電力的