摘要: 汽车钢圈在新产品设计阶段一般需要经过钢圈设计、模具设计与制造、样品制造与疲劳试验等这样复杂的过程,设计试制过程长、成本高。如果在新产品设计初期,就能预测出钢圈的疲劳寿命,则可以大大缩短钢圈的设计周期并减少各类耗费。因此,预测钢圈的疲劳... 展开 汽车钢圈在新产品设计阶段一般需要经过钢圈设计、模具设计与制造、样品制造与疲劳试验等这样复杂的过程,设计试制过程长、成本高。如果在新产品设计初期,就能预测出钢圈的疲劳寿命,则可以大大缩短钢圈的设计周期并减少各类耗费。因此,预测钢圈的疲劳寿命具有十分重要的意义。通常情况下,构件的疲劳寿命不仅会受到微结构特征、缺陷尺寸与百分比等内部因素的影响,也会受到服役载荷、残余应力等外部因素的作用。对于经冲压成形的钢圈,冲压过程会影响钢圈的疲劳强度与残余应力状态。因此,要求在预测钢圈的疲劳寿命时应综合考虑冲压工艺与服役载荷的联合作用。而现行的钢圈疲劳寿命预测方法仅考虑了服役载荷的影响,忽略了钢圈在冲压成形后存在的微孔洞与残余应力。微孔洞的形成与残余应力的聚集在当前生产实际中难以避免,且对疲劳寿命影响较大,同时现行的疲劳寿命预测方法又很难为上述问题给予满意的解答。因此,非常有必要引进新的疲劳损伤理论并在充分考虑冲压成形因素的条件下对钢圈疲劳寿命的预测方法进行研究。本文的创新点如下: 1、考虑到冲压残余应力与微孔洞对汽车钢圈疲劳寿命的影响,构造一个适合于钢圈的疲劳损伤耗散势函数,利用残余应力的线性叠加原理,并根据损伤力学的原理进行推导,从而建立起一个汽车钢圈疲劳寿命预测的数学模型。 2、基于应变等效假设的疲劳损伤耦合理论,发展一种适用于任意载荷的损伤力学一附加载荷一有限元法的求解方法。该方法考虑到钢圈的结构较复杂且承受旋转载荷,以循环次数划分步长计算疲劳损伤累积,以附加载荷计算钢圈的有效应力,把钢圈内的损伤等效为外力施加在钢圈上,不仅节省计算时间,而且还不需要识别节点荷载的大小与方向。 3、考虑冲压残余应力的钢圈疲劳寿命预测方法,其中最关键的问题之一就是如何从冲压成形数值模拟中提取残余应力并引入到疲劳寿命预测之中。为此,本文采用网格信息映射技术,通过MATLAB编写的接口程序提取冲压残余应力并映射到钢圈结构分析的有限元模型上,解决冲压成形仿真软件Dynaform与结构分析软件ANSYS之间的数据交换问题,实现在预测钢圈疲劳寿命时考虑冲压残余应力影响的目的。 4、基于钢圈疲劳寿命预测模型与修正的损伤力学-附加载荷-有限元法,采用APDL语言对ANSYS软件进行二次开发,把损伤力学理论嵌入到常规的结构分析模块中,实现损伤力学理论与有限元分析软件的有机结合。以N1型钢圈为例,对其进行损伤力学-有限元分析和疲劳寿命预测,并通过相关的试验研究,验证本文理论研究的正确性。 收起