钢制车轮疲劳性能分析及轮辐旋压成形工艺参数研究

发布时间：2017-08-16 20:11

  本文关键词：钢制车轮疲劳性能分析及轮辐旋压成形工艺参数研究

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【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。
【关键词】：钢制车轮 应力分析 疲劳寿命预测 形状优化 旋压工艺
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.34
【目录】：

• 摘要13-15
• ABSTRACT15-17
• 第一章 绪论17-31
• 1.1 引言17-18
• 1.2 钢制车轮产品特点及制造工艺18-19
• 1.2.1 钢制车轮产品特点18-19
• 1.2.2 无内胎钢制车轮生产工艺流程19
• 1.3 车轮疲劳性能分析的研究现状19-26
• 1.3.1 有限元分析19-21
• 1.3.2 疲劳寿命预测21-25
• 1.3.3 结构优化25-26
• 1.4 车轮成形工艺的研究现状26-28
• 1.4.1 轮辐旋压工艺26-27
• 1.4.2 轮辋滚型工艺27-28
• 1.5 目前研究存在的主要问题28-29
• 1.6 本文的主要研究内容29-31
• 第二章 车轮疲劳试验与有限元应力分析31-59
• 2.1 引言31-32
• 2.2 车轮疲劳试验32-37
• 2.2.1 车轮疲劳试验方法32-34
• 2.2.2 失效判定34-35
• 2.2.3 弯曲疲劳试验结果35-37
• 2.3 弯曲疲劳试验过程有限元建模方法37-42
• 2.3.1 材料模型38-39
• 2.3.2 有限元离散模型39-40
• 2.3.3 边界条件40-42
• 2.4 22.5×8.25型车轮弯曲疲劳试验过程模拟结果42-47
• 2.4.1 应力分析42-45
• 2.4.2 通风孔区域局部应力分布分析45-47
• 2.5 不同轮辐截面形状对应力水平的影响研究47-57
• 2.5.1 弯曲疲劳试验过程有限元模型48
• 2.5.2 径向疲劳试验过程建模方法48-51
• 2.5.3 弯曲疲劳工况下轮辐形状对车轮应力水平的影响51-54
• 2.5.4 径向疲劳工况下轮辐形状对车轮应力水平的影响54-57
• 2.6 本章小结57-59
• 第三章 车轮疲劳寿命预测及轮辐截面形状优化59-79
• 3.1 引言59
• 3.2 车轮疲劳寿命预测的相关理论59-64
• 3.2.1 常用疲劳寿命预测理论60-62
• 3.2.2 影响疲劳寿命结果准确性的因素分析62-63
• 3.2.3 疲劳性能参数估算63-64
• 3.3 基于疲劳分析软件Fe-safe的车轮疲劳寿命预测64-66
• 3.3.1 前处理技术64-65
• 3.3.2 后处理技术65-66
• 3.4 计算结果分析与讨论66-72
• 3.4.1 平均应力修正方法对疲劳寿命预测结果的影响66-67
• 3.4.2 疲劳算法对疲劳寿命预测结果的影响67-69
• 3.4.3 影响疲劳寿命的因素69
• 3.4.4 轮辐形状对车轮疲劳寿命的影响69-72
• 3.5 轮辐形状优化72-76
• 3.5.1 无通风孔轮辐的应力分析72-73
• 3.5.2 轮辐截面拓扑优化方法73-75
• 3.5.3 优化结果分析与讨论75-76
• 3.6 本章小结76-79
• 第四章 轮辐旋压过程有限元建模方法及旋轮轨迹优化79-107
• 4.1 引言79-80
• 4.2 旋压过程有限元分析建模方法80-86
• 4.2.1 部件及装配模型80-81
• 4.2.2 材料模型81
• 4.2.3 分析步设置81-82
• 4.2.4 接触关系设置82-83
• 4.2.5 网格模型83-84
• 4.2.6 边界条件设置84-85
• 4.2.7 改进模型的边界条件设置85-86
• 4.3 22.5×9.0型轮辐旋压模拟结果分析86-95
• 4.3.1 改进模型的有效性验证86-89
• 4.3.2 两种模型的计算时间对比89-91
• 4.3.3 旋压力91-93
• 4.3.4 应力应变分析93-95
• 4.4 17.5×6.25型轮辐旋压工艺方案制定95-99
• 4.4.1 坯料尺寸95-96
• 4.4.2 成形工艺分析96-97
• 4.4.3 进给率97
• 4.4.4 旋轮轨迹97-99
• 4.5 17.5×6.25型轮辐粗旋轮进给轨迹优化99-105
• 4.5.1 轨迹优化方案99-100
• 4.5.2 结果分析100-105
• 4.6 本章小结105-107
• 第五章 结论与展望107-109
• 5.1 结论107-108
• 5.2 展望108-109
• 参考文献109-115
• 致谢115-116
• 学位论文评阅及答辩情况表116

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