计及成形因素预测汽车钢圈多轴疲劳寿命的研究

论文摘要

动态弯曲疲劳寿命是汽车钢圈重要的性能指标,目前其预测方法仍局限于名义应力法和局部应力应变法。学者们多年的研究取得了一定成果,对预测汽车钢圈的疲劳寿命起了较为重要的作用。但这些方法均未考虑成形工艺过程所导致的厚度分布不均和残余应力对疲劳寿命的影响,并且大多忽略了钢圈表面的多轴应力状态,所得结果与实际情况存在较大差距,难以真正应用于工程实际。因此,考虑成形工艺因素影响,研究汽车钢圈多轴疲劳寿命的预测是一种新的途径。本文针对钢圈结构和工况特点,从冷冲压成形工艺角度出发,采用增量法成形数值模拟和网格信息映射技术,结合多轴疲劳损伤模型和有限元分析方法,探讨了集成冲压成形数值模拟、有限元分析的多轴疲劳寿命预测方法,较准确地实现了对钢圈疲劳寿命的预测。该方法旨在钢圈结构分析之前,对钢圈由成形过程引起的残余应力和厚度分布不均进行预分析,并将预分析结果引入结构分析和多轴疲劳寿命预测中,以获得更加真实可靠的分析和预测结果。主要包括以下几方面工作：1、采用增量法的成形数值模拟轮辐的多工步冲压成形工艺过程,根据成形极限图（FLD）和厚度减薄率所预示出的缺陷,给出工艺改进方案,解决轮辐在反拉深成形过程中被拉裂的问题,降低成形厚度减薄率,改善成形性能,为轮辐成形工艺的制定和模具的设计提供可靠指导。2、考虑成形因素对结构性能的影响,关键问题之一是如何将成形数值模拟结果引入结构分析中。采用网格信息映射技术,结合ANSYS参数化设计语言APDL和MATLAB编程,解决DYNAFORM和ANSYS之间数据交换问题,实现成形数值模拟和结构有限元分析的有机结合。根据钢圈的弯曲疲劳试验,建立结构有限元分析模型,着重研究成形残余应力和厚度变化对钢圈强度、刚度的影响。3、围绕钢圈的疲劳寿命预测问题,通过对关键点应力应变数据的提取和计算,确定其处于多轴应力状态；基于多轴疲劳损伤平面概念,确定关键点临界平面方向及该平面上的剪应变、法向应变历程,应用Brown-Miller多轴疲劳损伤模型进行寿命评估,探讨各成形因素对多轴疲劳寿命的影响。4、通过N1型钢圈的动态弯曲疲劳试验,验证本文引入成形工艺因素预测汽车钢圈多轴疲劳寿命的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 车轮结构疲劳强度研究
• 1.2.2 冲压成形过程对结构分析影响研究
• 1.3 本文的主要内容
• 第二章 多工步冲压成形模拟及工艺改进
• 2.1 成形数值模拟的基本理论
• 2.1.1 动力显式有限元方程描述
• 2.1.2 弹塑性材料本构关系
• 2.2 钢圈轮辐的冲压工艺模拟分析
• 2.2.1 工艺分析
• 2.2.2 成形模拟的工艺补充
• 2.2.3 预拉深成形模拟及结果分析
• 2.2.4 反拉深成形模拟及结果分析
• 2.3 工艺改进
• 2.4 工艺改进后的成形结果
• 2.5 本章小结
• 第三章 引入成形因素的钢圈结构性能分析
• 3.1 钢圈结构分析流程
• 3.2 网格信息映射
• 3.2.1 映射原理及过程
• 3.2.2 成形结果的映射
• 3.3 ANSYS中引入成形因素
• 3.3.1 SHELL181壳单元
• 3.3.2 成形残余应力的引入
• 3.3.3 成形厚度变化的引入
• 3.4 钢圈结构的弹性有限元分析
• 3.4.1 有限元模型的建立
• 3.4.2 成形因素对弯曲强度的影响
• 3.4.3 成形因素对弯曲刚度的影响
• 3.5 旋转弯矩载荷作用下的钢圈弹塑性有限元分析
• 3.5.1 弹塑性材料模型的选择
• 3.5.2 旋转弯矩载荷的施加
• 3.5.3 不考虑成形因素的弹塑性有限元计算结果
• 3.5.4 考虑成形因素的弹塑性有限元计算结果
• 3.5.5 成形因素对最大等效应力的影响
• 3.5.6 成形因素对等效应力历程的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于多轴疲劳模型的寿命评估
• 4.1 多轴疲劳理论
• 4.1.1 多轴疲劳损伤模型
• 4.1.2 多轴循环计数方法
• 4.1.3 疲劳累积损伤准则
• 4.2 钢圈关键点应力状态分析
• 4.3 多轴疲劳寿命评估
• 4.3.1 疲劳模型的简化
• 4.3.2 临界面上应变参数的确定
• 4.3.3 多轴疲劳寿命预测步骤
• 4.3.4 不考虑成形因素的多轴疲劳寿命计算
• 4.3.5 计及成形因素的多轴疲劳寿命评估
• 4.4 多轴疲劳寿命CAE分析
• 4.4.1 疲劳寿命CAE分析流程
• 4.4.2 未考虑成形因素的多轴疲劳CAE分析
• 4.4.3 考虑成形因素的多轴疲劳CAE分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 钢圈动态弯曲疲劳试验
• 5.1 车轮动态弯曲疲劳试验
• 5.1.1 试验设备
• 5.1.2 试验的准备工作
• 5.1.3 试验载荷确定
• 5.1.4 钢圈疲劳失效的判定标准
• 5.2 试验结果
• 5.3 计算结果与试验结果比较分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结与研究展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢