考虑焊缝疲劳的工程车轮弯曲疲劳寿命分析

姚 楚,石光林*,陈 晨

(广西科技大学 机械工程学院,广西 柳州 545006)

摘 要:工程车轮作为一种典型的焊接结构件,其结构中包含多条焊缝,在车轮弯曲疲劳试验过程中,焊缝承受着较大的动应力,极易产生应力集中并导致裂纹萌生.为对焊缝处进行疲劳分析,在采用逆向工程技术创建包含焊缝在内的工程车轮三维实体模型的基础上,建立了车轮弯曲疲劳分析的有限元模型,分别选择名义应力法和BS7608标准对车轮焊缝区和非焊缝区进行疲劳分析,得到工程车轮的弯曲疲劳寿命,与不考虑焊缝的车轮弯曲疲劳寿命对比,工程车轮弯曲疲劳最危险的位置为轮辐和轮辋角接焊缝处而非轮辐的螺栓孔附近.最后对上述仿真和计算结果进行了试验验证,证明了包含焊缝的车轮有限元模型和分析方法的正确性.

关键词:弯曲疲劳试验;逆向工程;焊接结构疲劳;工程车轮

0 引言

对弯曲载荷作用下工程车轮的疲劳寿命进行仿真计算时,以往学者在有限元建模过程中通常是将轮辐与轮辋直接绑定在一起,不考虑轮辐与轮辋之间的焊缝结构,这种简化给计算带来了方便却忽略了焊缝疲劳寿命对车轮整体疲劳寿命的影响[1-3].焊接接头的静载承受能力一般并不会低于母材[4],但在承受交变动载荷时,其承受动载荷的能力却要远低于母材,焊接接头的加载状况、近焊缝区组织性能、焊接残余应力等均对焊接结构的疲劳强度有重要影响[5].而工程车轮作为一种典型的焊接结构件,包含有多条多种形式的焊缝,焊缝处极易产生应力集中并导致裂纹萌生,且在强烈动载荷的作用下易发生断裂从而造成破坏事故[6].许多学者已经注意到焊缝疲劳对焊接结构件疲劳的影响,刘旺浩等[7]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.孟瑾等[8]通过微型剪切试验对汽车车轮的焊缝进行分区,并对不同的区分别建模从而分析车轮的径向疲劳寿命.因此,为了获取更加接近工程车轮弯曲疲劳寿命仿真的有限元模型,以某三件式工程车轮为例,分别建立包含焊缝以及不含焊缝的工程车弯曲轮疲劳有限元模型,通过对比二者的有限元计算结果,确定车轮疲劳最危险的位置,从而为工程车轮的设计和制造提供理论指导.

1 工程车轮的逆向建模

首先,用三维光学扫描检测仪扫描得到工程车轮的三维点云,扫描过程如图1所示;然后,将点云导入逆向工程软件Imageware中创建曲面,曲面创建过程中忽略焊缝表面不平整区域所形成的误差;将完整的车轮曲面模型导入UG中,利用UG的缝合功能将曲面缝合形成实体,最后得到的含焊缝的车轮实体模型如图2所示.

图1 扫描工程车轮
Fig.1 Scanning the wheel rim

图2 含焊缝的车轮实体模型
Fig.2 Wheel rim model including weld seams

2 工程车轮弯曲静强度分析

2.1 有限元网格

采用六面体网格对车轮进行网格划分,其中,轮辋体的单元数为146 890个,焊缝的单元数为9 846个,加载臂的单元数为44 278个,螺母的单元数为6 330个,划分后的车轮网格模型如图3所示.

2.2 材料参数

分别定义车轮各结构的材料属性:轮辐和轮辋材料均为Q235B,其弹性模量为 2.1×105MPa,泊松比为 0.274,焊缝材料为E5015,弹性模量为 2.06×105MPa,泊松比为 0.3.

2.3 载荷和边界条件

按照国家标准GB/T 5909-2009《商用车辆车轮性能要求和试验方法》,规定将车轮牢固地夹紧在试验夹具上,加载轴和连接件用无润滑的双头螺栓或螺母(或螺栓)连接到车轮的安装平面上,安装情况应与装于装载机上的实际使用工况相当,车轮固定不动,承受一个旋转的弯矩[9].具体的约束和载荷位置如图4所示,由于车轮结构并非是完全轴对称件,而试验中又受到旋转弯曲的作用,因此模拟起来比较复杂,经过一定的简化,根据经验确立了8个具有代表性的工况来进行车轮静强度分析.

3 静力学有限元分析结果

3.1 应力分析结果

一般认为结构发生疲劳破坏的主因是最大主应力[10].图5是车轮某种工况下的最大主应力分布图,另外选取螺栓孔以及焊缝上下焊趾处各3个节点绘制最大主应力随载荷步变化的曲线,如图6所示.由图5—图6可知,车轮最大主应力位于螺栓孔附近,最大主应力值为154.4 MPa.

图3 车轮网格模型
Fig.3 Mesh model of the wheel rim

图4 工程车轮加载模型
Fig.4 Loading the wheel rim

图5 车轮某个工况下主应力分布图
Fig.5 Max principal stress distribution under one condition

图6 车轮疲劳危险关键点最大主应力随载荷步变化的曲线
Fig.6 Curves of max principal stress varies with load step

3.2 分析结果合理性判断

静力学分析结果是否合理,可以通过观察结构最大应力值和位置是否按照结构的对称性循环出现来判断.选择如图7所示的位于螺栓孔边缘对称位置上的2个节点18539和16997,绘制它们最大主应力随载荷步变化的曲线,结果如图8所示,两节点应力值大小完全对称,表明分析结果合理.

图7 随机选取螺栓孔附近的2个节点
Fig.7 Two random symmetrical nodes on near bolt hole

图8 2个节点主应力随时间的变化曲线
Fig.8 Curves of two nodes wheel max principal stress varies with time

4 车轮疲劳寿命分析

4.1 焊接疲劳评估标准的选择

当前焊接疲劳评估标准有很多,如北美铁路协会AAR标准、英国钢结构疲劳设计与评估(BS7608:1993)、国际焊接学会标准(IIW)等,专家对此作了较多的研究[11].由于车轮的实际焊缝形状与BS7608标准中对应的焊缝形状最接近,本研究选择BS7608作为车轮焊缝疲劳寿命预测的标准.BS7608标准提供了一定数量的焊接接头疲劳试验数据,适用于屈服强度低于700 MPa的碳钢、调质钢等焊接接头的疲劳评估[12].

4.2 焊缝区S-N曲线的确定

4.2.1 焊缝类别的选择

图9 工程车轮焊缝的位置和形状
Fig.9 Position and shape of weld seam

根据本试验样件的焊接接头的形式,如图9所示,并通过与BS7608焊接等级分类列表对照可知,焊缝①和焊缝④都是双面环形对接焊缝,所以选用编号为7.3等级为E类别的焊缝,焊缝②和焊缝③都是单面环形角焊缝,故选用编号为10.2等级为F类别的焊缝.

4.2.2 焊缝区 S-N 曲线表达式

在恒幅载荷作用下,对于每一等级接头,所施加应力变化范围与达到疲劳的循环次数之间的关系如下:

式中:N——焊缝达到破坏时的循环次数;C0——与均值S-N曲线相关的常数;d——低于均值的标准偏差的数量;σ——N的对数下的标准偏差;m——双对数坐标下S-N曲线斜率的倒数;Sr——应力变化范围.

利用方程:

式(1)可以写成:

对于不同的d值,根据式(1)—式(3),可以推断出其所对应的基本的S-N曲线.

根据本次试验的样件焊缝的质量情况将失效概率定为2.3%,即标准正态偏量d=2,由焊接接头的细节级别再结合标准正态偏量d即可得到焊缝区的标准基本设计S-N曲线.

4.3 载荷谱的确定

在进行车轮弯曲疲劳试验时,车轮承受一等幅正弦变化的弯曲载荷,因此,在疲劳时引入对称循环载荷的载荷谱,一个周期内,每个单元应力遵循正弦规律变化.

5 车轮弯曲疲劳寿命分析结果

将车轮应力分析结果导入疲劳分析软件Fe-Safe中,不同的位置设定不同的S-N曲线.包含焊缝的车轮非焊缝区采用线弹性名义应力法分析,焊缝区采用BS7608标准分析;不含焊缝的车轮整体使用名义应力法分析;得到两种模型的车轮弯曲疲劳寿命分布图分别如图10和图11所示.

图10 考虑焊缝的车轮弯曲疲劳寿命分布图
Fig.10 Distribution of wheel cornering fatigue life considering weld seams

图11 不考虑焊缝的车轮弯曲疲劳寿命分布图
Fig.11 Distribution of wheel fatigue life cornering ignoring weld seams

对两种模型车轮弯曲疲劳潜在危险位置的寿命进行统计,可以得到如表1所示的结果.

由表1可知,包含焊缝的车轮模型寿命最小值约为45.6万次,发生在轮辐与轮辋连接的焊缝③上;不含焊缝的车轮模型寿命最小值约为77.6万次,发生在轮辐的螺栓孔附近.二者对比表明:车轮弯曲疲劳寿命最危险的部位是轮辐与轮辋连接的焊缝处.

表1 两种分析模型疲劳寿命最小值对比
Tab.1 Min fatigue life comparison of two different models

6 试验验证分析

按照2.3的要求对车轮进行弯曲疲劳试验,试验装置以及试验对象如图12所示.试验结果表明该型号工程车轮的弯曲疲劳寿命集中在30万次~50万次之间,且最小寿命位置位于轮辐和轮辋角接焊缝的焊趾处.仿真结果与试验结果对比如图13所示.CAE分析的疲劳寿命最小位置与试验结果一致,但寿命次数有一定差异,考虑到材料疲劳寿命通常分散性较大,所以认为CAE分析与实测结果误差在可接受范围内.

图12 工程车轮弯曲疲劳试验
Fig.12 Cornering fatigue test of construction wheel

图13 弯曲疲劳试验和仿真结果对比
Fig.13 Cornering fatigue test comparison with simulation

7 结论

运用逆向工程技术创建包含焊缝的工程车轮三维实体模型,建立对应的有限元模型进行弯曲疲劳寿命分析,将分析结果与不含焊缝的车轮疲劳寿命进行对比,结果表明:工程车轮疲劳寿命最小位置发生在轮辐和轮辋角接焊缝处.车轮弯曲疲劳试验验证了分析结果的合理性,含有焊缝的有限元分析模型更适合预测工程车轮的疲劳寿命.

参考文献:

[1]刘新宇,徐武彬.大型轮式港口机械钢圈的加载方案分析和强度计算[J].机械设计与制造,2007(5):30-32.

[2]王卫东.装载机钢圈参数化设计及有限元分析[D].济南:山东大学,2007.

[3]李青海.工程机械轮辋的计算机辅助设计与结构分析优化[D].济南:山东大学,2008.

[4]涂耀耀,孙有平,白兆军,等.310S 耐热不锈钢 TIG 焊接接头组织与力学性能研究[J].广西工学院学报,2013,24(2):10-13.

[5]付静,孙有平,周学浩,等.SS400 焊接接头组织性能研究[J].广西科技大学学报,2015,26(4):32-35.

[6]张凤,李健,李鹤.振动环境下焊缝疲劳寿命的预测及分析[J].机械设计与制造,2014(11): 228-231.

[7]刘旺浩,单颖春,刘献栋.轮辋与轮辐间焊缝参数对钢制车轮弯曲应力影响的仿真分析[J].计算机辅助工程,2014,23(6):28-31,36.

[8]MENG J,ZHU P,JI Q,et al.Radial fatigue analysis method of steel hub based on partitioned seam weld model and a new pressure distribution regulation[J].Materials and Design,2013,47(9):115-124.

[9]国家发展和改革委员会.商用车辆车轮性能要求和试验方法:GB/T 5909-2009[S].北京:中国标准出版社,2010.

[10]覃海艺,吴会平,贾敬华,等.车轮径向疲劳试验的动力显式有限元算法[J].机械强度,2016,38(3): 626-630.

[11]王文.基于 AAR、BS、IIW 3 种标准的疲劳可靠性评估方法研究[J].铁道机车车辆,2008(28): 200-204.

[12]英国钢结构协会(BSI).钢结构疲劳设计与评估:BS 7608:1993[S].伦敦:英国钢结构协会(BSI),1993.

Cornering fatigue life analysis of wheel rim considering the weld seam fatigue

YAO Chu,SHI Guang-lin*,CHEN Chen
(School of Mechanical Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)

Abstract:As a typical welded structure,wheel rim includes a few weld seams.During the process of cornering fatigue tests,weld seams which bear a greater dynamic stress,are apt to produce stress concentration leading to crack initiation,therefore the fatigue analysis of weld seams can't be ignored.Firstly,this paper uses reverse engineering to create the solid model of wheel rim with weld seams.Then the finite element model of wheel cornering fatigue test is set up,the nominal stress method is selected to analyze the fatigue life of non-welding zone and BS7608 standard is applied to analyze the fatigue life of welding zone,then cornering fatigue life of wheel is obtained.By comparing the fatigue life with the wheel which has no weld seams,it shows that the most fatigue dangerous place is the weld seam.Finally,corresponding tests are carried out to verify the results of above simulation and calculation.It proves that the finite element model of the wheel rim with weld seams is correct.

Key words:cornering fatigue tests;reverse engineering;fatigue of welded structure;wheel rim

中图分类号:TH11

文献标志码:A

(学科编辑:黎 娅)

文章编号:2095-7335(2017)03-0066-06

DOI:10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2017.03.010

收稿日期:2017-01-15

基金项目:广西科学研究与技术开发计划项目(桂科攻1598008-23)资助.

*通信作者:石光林,教授,研究方向:机械结构设计与优化,E-mail: sgl8913@163.com.