模型,人才结构分析,教育政策分... 人口参数辨识,人口系统仿真,人...
刘旺浩+单颖春+刘献栋
摘要： 为考察轮辋与轮辐间焊缝对钢制车轮强度的影响，建立包括该焊缝在内的钢制车轮的有限元模型，分析在弯曲载荷作用下，钢制车轮轮辋与轮辐间的焊脚高度、焊缝截面形状以及焊缝布置位置对车轮应力的影响.仿真结果表明：对于该钢制车轮，轮辋与轮辐间焊脚高度可以由目前的3.5 mm减至2.5 mm，这为焊接工艺参数的调整提供一定参考；焊缝截面边界为直边时焊缝处应力较小；当每段焊缝的一半对着通风孔时焊接区域应力较小.该仿真分析可用于钢制车轮轮辋与轮辐间焊缝结构的优化，并为钢制车轮在弯曲载荷作用下的疲劳寿命估算提供更准确的应力计算结果.
关键词： 钢制车轮； 焊缝参数； 弯曲载荷； 强度； 应力； 有限元
中图分类号： U463.34； TB115.1文献标志码： B
0引言
准确获得结构在其工作载荷下的应力状况是估算其疲劳寿命的前提.对弯曲载荷作用下钢制车轮的应力进行仿真计算时，以往学者[15]采用的有限元模型中多忽略轮辐与轮辋间的焊缝结构，将轮辐与轮辋在过盈面处直接绑定在一起.这种简化不仅无法计算焊缝本身的应力，还忽略焊缝对焊接区域、缓冲环等处应力的影响.为得到更接近实际的应力仿真结果，为钢制车轮疲劳寿命预测提供更准确的数据，在钢制车轮三维模型中增加焊缝，分析钢制车轮在弯曲载荷作用下轮辋与轮辐间的不同焊脚高度、焊缝截面形状和焊缝位置等因素对车轮应力的影响，重点分析焊缝对焊接区域附近和危险应力区域——缓冲环上最大应力的影响.
1包含焊缝结构的车轮弯曲应力仿真有限元模型模拟车轮在弯曲疲劳试验台上的加载状况，在Abaqus[6]中建立某型钢制车轮的有限元模型.模型包括轮辋、轮辐、连接盘、加载轴和轮辋与轮辐间的焊缝结构.轮辋与轮辐间经过盈装配后端面焊接，轮辐在半径上的过盈量为0.25 mm.轮辐辐底与连接盘、连接盘与加载轴固定连接.按照该型车轮的试验条件，分析时固定轮辋中远离轮辐的端面，在加载轴的端部施加垂直于轴的弯曲载荷F=3 022.4 N.车轮部件和整体有限元模型见图1和2.a）轮辐b）轮辋c）连接盘d）加载轴e）焊缝图 1车轮部件
Fig.1Wheel parts
图 2整体有限元模型
Fig.2Whole finite element model
分别定义各结构的材料属性：轮辐与轮辋的材料为车轮钢BG380CL，密度为7.8×10-9 t/mm3，弹性模量为2.00×105 MPa，泊松比为0.3.此外，由于分析时考虑材料非线性特性的影响，所以给定轮辋、轮辐材料屈服后的硬化特性.加载轴的材料为40Cr，密度为7.8×10-9 t/mm3，弹性模量为2.11×105 MPa，泊松比为0.3.连接盘的材料为45号钢，密度为7.8×10-9 t/mm3，弹性模量为2.06×105 MPa，泊松比为0.3.由于焊缝附近的材料属性难以确定，所以分析中进行简化处理，假设焊缝材料与母材相同，即密度为7.8×10-9 t/mm3，弹性模量为2.00×105 MPa，泊松比为0.3.
整个仿真过程包括4个步骤：首先，因在Abaqus中绑定约束必须在初始步中进行设置，故在初始分析步中将加载轴与连接盘、连接盘与轮辐、焊缝与轮辋间的连接面设置为绑定约束，即固定连接；然后，在第1个分析步中设置轮辐与轮辋之间为过盈接触，摩擦因数设为0.15，即可获得轮辋与轮辐间的过盈应力；在第2个分析步中设置轮辐与焊缝间的接触为切向“粗糙”即切向无滑移，法向接触属性为“硬接触”且接触后不分开，从而通过该分析步建立焊缝结构与轮辐间的连接关系，保证焊缝与轮辐间在切向与法向均无相对运动；在第3个分析步中定义弯曲载荷，将其施加在加载轴的端部，从而获得考虑焊缝结构以及过盈应力影响时车轮在弯曲载荷作用下的应力分布.
2不同焊脚高度的影响
轮辋与轮辐间焊脚高度的大小不仅影响焊接区域的应力，而且影响车轮焊接的效率和焊缝材料的用量，直接影响产品的加工成本.为研究焊脚高度的影响，在车轮仿真模型中分别建立焊脚高度为3.5，3.0，2.5，2.0和1.5 mm角焊缝[7]的三维模型.目前该型车轮中焊缝的焊脚高度为3.5 mm，模型中焊缝及其焊脚高度见图3.为建模方便并减少应力集中的影响，角焊缝采用整圈连续焊缝.焊缝处的总体网格为0.5 mm，单元选择8节点六面体单元中的C3D8R.在弯曲载荷作用下，轮辐上的应力通常大于轮辋上的应力，故在此只给出采用不同焊脚高度的焊缝时，焊缝结构和轮辐中焊接区域附近的最大应力，具体的应力计算结果见表1.
a）b）图 3模型中焊缝及其焊脚高度
Fig.3Weld seam of model and its fillet height
表 1不同焊脚高度的焊缝对应的应力计算结果
Tab.1Calculation results of weld seam stress under different fillet height 焊脚高度/mm3.53.02.52.01.5焊缝应力/MPa200208203270261轮辐上焊接区域应力/MPa231228224219217
由表1可知：焊脚高度在2.5～3.5 mm时，焊缝上的最大应力和轮辐上焊接区域的最大应力变化不大；当焊脚高度为2.0 mm时，焊缝上的最大应力比焊脚高度为3.5 mm时增长35%；当焊脚高度为1.5 mm时，焊缝上的最大应力比焊脚高度为3.5 mm时增长30.5%.因此，当焊脚高度小于2.5 mm时，焊缝上的最大应力增大很多，容易引起焊缝的疲劳破坏，而轮辐上焊缝区域附近的最大应力降低不明显，故轮辋与轮辐间的焊缝的焊脚高度不应低于2.5 mm.
根据《钢结构设计规范》[8]规定：角焊缝的焊脚尺寸不得小于1.5t，其中t为较厚焊件厚度，mm.该钢制车轮中厚度较大组件轮辐的厚度为4.25 mm，因此，最小焊脚高度应取为1.5×4.25=3.09 mm.我国的国家标准对角焊缝的最小焊脚尺寸和焊缝强度的规定偏于保守，为减小焊脚高度提供可能.[9]但是，由于本文仿真计算时，焊接区域附近的材料属性设定为与母材相同，因此会带来仿真结果的偏差.
综上，为保证车轮的疲劳寿命，还需相应的试验验证焊缝采用2.5 mm的焊脚高度对于该型车轮结构是否安全.
3不同焊缝截面形状的影响
参考实际车轮产品，对于不同类型的车轮，轮辋与轮辐间焊缝的截面形状有所区别，为研究不同焊缝截面形状对车轮应力的影响，分别研究3种焊缝截面形状下车轮受弯曲载荷时的应力变化情况.其焊缝的焊脚高度均为3.5 mm，截面边界分别为直边、凸形和凹形，见图4.
a）直边b）凸形c）凹形
图 4不同截面形状的角焊缝
Fig.4Fillet weld seams with different cross section shapes
对各种焊缝截面结构，均采用0.5 mm的总体网格.直边角焊缝的结构相对简单，采用8节点六面体单元中的C3D8R进行离散；凸形和凹形角焊缝，采用带有中间节点的10节点四面体单元中的C3D10进行离散.不同截面形状的焊缝对应的应力计算结果见表2.
表 2不同截面形状的焊缝对应的应力计算结果
Tab.2Calculation results of weld seam stress under
different cross section shapesMPa焊缝截面形状直边凸形凹形焊缝应力200258266焊接区域应力231241238
由表2可知：不同焊缝截面形状对轮辋或轮辐上焊接区域附近的应力影响不大，但对焊缝结构本身的应力影响较大：当采用凸形焊缝时，焊缝上的最大应力比采用直边焊缝时增长29%；当采用凹形焊缝时，焊缝上的最大应力比采用直边焊缝时增长33%；截面边界采用直边时焊缝处应力较小.
4不同焊缝位置的影响
该型车轮轮辋与轮辐之间的焊缝并非整圈焊缝，而是采用4段85 mm的断开焊缝.目前在实际生产中，均没有考虑4段焊缝与轮辐通风孔之间的相对位置关系对车轮应力的影响，即焊缝与通风孔之间的位置关系是随机的.本节研究焊缝与通风孔之间处于不同相对位置时车轮应力的变化情况，分析3种不同的焊缝位置，见图5.不同位置的焊缝对应的应力计算结果见表3.由表3可知：焊缝位置一半对着通风孔时比处于正对通风孔时，轮辐上焊接区域的最大应力下降0.8%，焊缝上的最大应力下降6.3%；焊缝一半对着通风孔时比处于两通风孔之间时，轮辐上焊接区域的最大应力下降10.8%，焊缝上的最大应力下降2%.因此，焊接时使焊缝加工的位置一半对着通风孔，对于降低焊缝的应力和车轮焊接区域附近的应力均比较有利，可作为实际生产的依据.
a）正对通风孔b）一半对着通风孔c）两通风孔之间
图 5焊缝相对于轮辐上的通风孔的不同位置
Fig.5Different positions of weld seams relative to vent
表 3不同位置的焊缝对应的应力计算结果
Tab.3Calculation results of weld seam stress under
different weld positionsMPa焊缝位置正对通风孔一半对着通风孔两通风孔之间焊缝应力205192196焊接区域应力266264296
5焊缝对焊接区域和缓冲环上最大应力的影响当不考虑焊缝结构时，车轮模型中轮辋与轮辐的过盈接触面被简化为固定连接，即难以在一次仿真中既考虑过盈应力又考虑弯曲载荷产生的应力，导致应力计算结果产生较大的偏差.在此，分析是否考虑焊缝结构对车轮不同位置应力的影响.其中，不考虑焊缝结构的有限元模型见文献[10]，考虑焊缝结构的有限元模型中焊缝采用图5b的位置.仿真计算结果见表4.
表 4无焊缝与有焊缝时对应的应力计算结果
Tab.4Stress calculation results with or without
weld seamMPa应力位置无焊缝有焊缝轮辐上焊接区域213264缓冲环324322
由表4可知：考虑焊缝时比不考虑焊缝时轮辐上焊接区域的最大应力增长23.9%，而轮辐缓冲环上的最大应力下降0.6%，所以焊缝对焊接区域的最大应力影响很大，而对缓冲环的最大应力影响不大.虽然仿真结果中焊缝区域的最大应力比缓冲环上的最大应力小58 MPa，但此处的应力已经远超过该材料的屈服极限；另外，由于焊接过程往往导致焊接区域附近材料疲劳性能显著下降，因此考虑焊缝结构对焊接区域应力的影响十分必要.
6结论
考虑焊缝结构的影响，分析钢制车轮在弯曲载荷作用下，轮辋与轮辐间焊缝的不同焊脚高度、截面形状和不同位置对车轮应力的影响，并分析焊缝对焊接区域附近和缓冲环上最大应力的影响.通过仿真计算，得到如下结论：
1）轮辋与轮辐间焊缝的焊脚高度存在最优值：对于该型车轮，仿真结果表明轮辋与轮辐间最佳焊脚高度约为2.5 mm.
2）当焊缝截面边界采用直边时焊缝处应力较小.
3）该型车轮采用4段焊缝连接轮辋与轮辐，其焊缝与轮辐通风孔的最佳相对位置见图5b，即一半对着通风孔.
4）焊缝对焊接区域的最大应力影响很大，而对弯曲载荷作用下车轮中应力最危险区域——缓冲环上最大应力的影响可以忽略.
参考文献：
[1]王霄锋， 梁昭， 张小格. 基于动态弯曲疲劳试验的汽车车轮有限元分析[J]. 拖拉机与农用运输车， 2007， 34（1）： 4547.
WANG Xiaofeng， LIANG Zhao， ZHANG Xiaoge. Finite element analysis of wheel based on wheel dynamic bending fatigue test[J]. Tractor & Farm Transporter， 2007， 34（1）： 4547.
[2]闫胜昝， 童水光， 张响， 等. 汽车车轮弯曲疲劳试验分析研究[J]. 机械强度， 2008， 30（4）： 687691.
YAN Shengzan， TONG Shuiguang， ZHANG Xiang， et al. Analysis study on bending fatigue test of automobile wheels[J]. J Mech Strength， 2008， 30（4）： 687691.
[3]韩兵， 朱茂桃， 张永建. 铝合金车轮动态弯曲疲劳寿命预测[J]. 农业机械学报， 2008， 39（5）： 196210.
HAN Bing， ZHU Maotao， ZHANG Yongjian. Dynamic bending fatigue life prediction of aluminum alloy wheel [J]. Trans Chin Soc Agric Machinery， 2008， 39（5）： 196210.
[4]王成龙， 余光伟， 夏复兴. CAE在提高轿车钢圈强度的方法研究中的应用[J]. 上海大学学报： 自然科学版， 2004， 10（1）： 1316.
WANG Chenglong， YU Guangwei， XIA Fuxing. Application of CAE in enhancing strength of steel rings for automobiles[J]. J Shanghai Univ： Nat Sci， 2004， 10（1）： 1316.
[5]郝琪， 蔡芳. 钢制车轮弯曲试验多轴疲劳寿命预测研究[J]. 汽车技术， 2011（2）： 4750.
HAO Qi， CAI Fang. The study on steel wheel multiaxial fatigue life prediction of bending test[J]. Automobile Technol， 2011（2）： 4750.
[6]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006.
[7]邹正刚. 关于角焊缝建模问题的探讨[C]// 安世亚太2006年用户年会论文集. 上海， 2006.
[8]GB 50017—2003钢结构设计规范[S].
[9]刘大林. 角焊缝的设计： 世界规程比较[J]. 低温建筑技术， 2007（4）： 4143.
LIU Dalin. Design of fillet weld： a review of international codes[J]. Low Temperature Architecture Technol， 2007（4）： 4143.
[10]王海霞， 刘献栋， 单颖春， 等. 考虑材料非线性及螺栓预紧力的汽车钢制车轮弯曲强度分析[J]. 汽车工程学报， 2012， 2（2）： 134138.
WANG Haixia ， LIU Xiandong， SHAN Yingchun， et al. Bending strength analysis of steel wheel considering the material nonlinearity and bolt pretension[J]. Chin J Automotive Eng， 2012， 2（2）： 134138.
（编辑 武晓英）
[2]闫胜昝， 童水光， 张响， 等. 汽车车轮弯曲疲劳试验分析研究[J]. 机械强度， 2008， 30（4）： 687691.
YAN Shengzan， TONG Shuiguang， ZHANG Xiang， et al. Analysis study on bending fatigue test of automobile wheels[J]. J Mech Strength， 2008， 30（4）： 687691.
[3]韩兵， 朱茂桃， 张永建. 铝合金车轮动态弯曲疲劳寿命预测[J]. 农业机械学报， 2008， 39（5）： 196210.
HAN Bing， ZHU Maotao， ZHANG Yongjian. Dynamic bending fatigue life prediction of aluminum alloy wheel [J]. Trans Chin Soc Agric Machinery， 2008， 39（5）： 196210.
[4]王成龙， 余光伟， 夏复兴. CAE在提高轿车钢圈强度的方法研究中的应用[J]. 上海大学学报： 自然科学版， 2004， 10（1）： 1316.
WANG Chenglong， YU Guangwei， XIA Fuxing. Application of CAE in enhancing strength of steel rings for automobiles[J]. J Shanghai Univ： Nat Sci， 2004， 10（1）： 1316.
[5]郝琪， 蔡芳. 钢制车轮弯曲试验多轴疲劳寿命预测研究[J]. 汽车技术， 2011（2）： 4750.
HAO Qi， CAI Fang. The study on steel wheel multiaxial fatigue life prediction of bending test[J]. Automobile Technol， 2011（2）： 4750.
[6]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006.
[7]邹正刚. 关于角焊缝建模问题的探讨[C]// 安世亚太2006年用户年会论文集. 上海， 2006.
[8]GB 50017—2003钢结构设计规范[S].
[9]刘大林. 角焊缝的设计： 世界规程比较[J]. 低温建筑技术， 2007（4）： 4143.
LIU Dalin. Design of fillet weld： a review of international codes[J]. Low Temperature Architecture Technol， 2007（4）： 4143.
[10]王海霞， 刘献栋， 单颖春， 等. 考虑材料非线性及螺栓预紧力的汽车钢制车轮弯曲强度分析[J]. 汽车工程学报， 2012， 2（2）： 134138.
WANG Haixia ， LIU Xiandong， SHAN Yingchun， et al. Bending strength analysis of steel wheel considering the material nonlinearity and bolt pretension[J]. Chin J Automotive Eng， 2012， 2（2）： 134138.
（编辑 武晓英）
[2]闫胜昝， 童水光， 张响， 等. 汽车车轮弯曲疲劳试验分析研究[J]. 机械强度， 2008， 30（4）： 687691.
YAN Shengzan， TONG Shuiguang， ZHANG Xiang， et al. Analysis study on bending fatigue test of automobile wheels[J]. J Mech Strength， 2008， 30（4）： 687691.
[3]韩兵， 朱茂桃， 张永建. 铝合金车轮动态弯曲疲劳寿命预测[J]. 农业机械学报， 2008， 39（5）： 196210.
HAN Bing， ZHU Maotao， ZHANG Yongjian. Dynamic bending fatigue life prediction of aluminum alloy wheel [J]. Trans Chin Soc Agric Machinery， 2008， 39（5）： 196210.
[4]王成龙， 余光伟， 夏复兴. CAE在提高轿车钢圈强度的方法研究中的应用[J]. 上海大学学报： 自然科学版， 2004， 10（1）： 1316.
WANG Chenglong， YU Guangwei， XIA Fuxing. Application of CAE in enhancing strength of steel rings for automobiles[J]. J Shanghai Univ： Nat Sci， 2004， 10（1）： 1316.
[5]郝琪， 蔡芳. 钢制车轮弯曲试验多轴疲劳寿命预测研究[J]. 汽车技术， 2011（2）： 4750.
HAO Qi， CAI Fang. The study on steel wheel multiaxial fatigue life prediction of bending test[J]. Automobile Technol， 2011（2）： 4750.
[6]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006.
[7]邹正刚. 关于角焊缝建模问题的探讨[C]// 安世亚太2006年用户年会论文集. 上海， 2006.
[8]GB 50017—2003钢结构设计规范[S].
[9]刘大林. 角焊缝的设计： 世界规程比较[J]. 低温建筑技术， 2007（4）： 4143.
LIU Dalin. Design of fillet weld： a review of international codes[J]. Low Temperature Architecture Technol， 2007（4）： 4143.
[10]王海霞， 刘献栋， 单颖春， 等. 考虑材料非线性及螺栓预紧力的汽车钢制车轮弯曲强度分析[J]. 汽车工程学报， 2012， 2（2）： 134138.
WANG Haixia ， LIU Xiandong， SHAN Yingchun， et al. Bending strength analysis of steel wheel considering the material nonlinearity and bolt pretension[J]. Chin J Automotive Eng， 2012， 2（2）： 134138.
（编辑 武晓英）
