Las llantas de aleación de aluminio son componentes de seguridad importantes de los automóviles, que tienen una influencia importante en la seguridad de conducción, la comodidad de conducción y la comodidad de los ocupantes de los automóviles. Las llantas de aleación de aluminio generalmente funcionan bajo cargas dinámicas aleatorias, y la forma principal de falla de las llantas de aleación de aluminio es el daño por fatiga. Las llantas de aleación de aluminio deben pasar una serie de pruebas de rendimiento antes de su uso, entre las cuales la prueba de fatiga por flexión dinámica es un enlace de prueba importante. El daño por fatiga de las llantas de aleación de aluminio se debe principalmente al momento de flexión, y la fatiga por flexión se convierte en la razón principal del daño de las llantas de aleación de aluminio. Si la vida de fatiga y las ubicaciones de falla de las llantas de aleación de aluminio se pueden predecir en la etapa de diseño, será beneficioso para la mejora estructural y el diseño óptimo. En los últimos años, las llantas de aleación de aluminio se han utilizado ampliamente. Las llantas de aleación de aluminio no solo pueden proporcionar una mayor capacidad de carga, ahorrar consumo de energía, sino que también cumplen con los requisitos de diseño de apariencia individual. El modo de diseño tradicional basado en la experiencia ya no puede cumplir con los requisitos del desarrollo moderno y ha pasado gradualmente a la etapa de desarrollo del uso de tecnología de elementos finitos. En este documento, se toma como ejemplo una determinada rueda de aleación de aluminio 22X8.5JJ para simular el proceso de prueba de fatiga por flexión dinámica y predecir la vida de fatiga y la posición de daño de la rueda de aleación de aluminio.
1. El proceso de predicción y análisis de la vida útil dinámica a la fatiga de las llantas de aleación de aluminio
;Primero, realice un cálculo estático de elementos finitos en la rueda de aleación de aluminio y obtenga la respuesta de resultado de un ciclo de carga en las condiciones de prueba, y luego extraiga la tensión y la deformación de cada paso de carga como la carga de daño por fatiga. En el análisis de vida a fatiga se utiliza el criterio de deformación principal y se considera la influencia de la tensión promedio Finalmente, se aplica la ley de Miner para acumular los daños causados ​​por un solo ciclo de carga y calcular la vida a fatiga.

2. Ensayo dinámico de fatiga por flexión de llantas de aleación de aluminio Los estándares comúnmente utilizados para la prueba dinámica de fatiga por flexión de llantas de aleación de aluminio incluyen el estándar JWL, el estándar DOT y el estándar ISO, etc. Todos estos estándares simulan la condición de carga de llantas de aleación de aluminio bajo acción corta de flexión. La rueda de aleación de aluminio se fija en el banco de pruebas y el momento de flexión giratorio se aplica a la rueda de aleación de aluminio a través de la barra de carga. La norma de la industria del automóvil QC / T 221-1997 estipula que la fórmula de cálculo para el acortamiento de flexión de la prueba dinámica de fatiga por flexión de la rueda de aleación ligera es M = (uR + h) FS (1) donde U - -el factor de fricción entre el neumático y la carretera R- -Radio de carga estática (el radio de carga estático especificado por el fabricante del automóvil para que coincida con el neumático con la rueda) h-el desplazamiento interior o exterior de la rueda de aleación de aluminio F-la carga nominal de la rueda militar especificada por el fabricante de automóviles S-el coeficiente de prueba de fortalecimiento

3. El cálculo estático de elementos finitos de las llantas de aleación de aluminio y el establecimiento de un modelo de elementos finitos preciso son la base para analizar el problema, que afecta directamente la precisión de los resultados del cálculo. La brida del cubo y el eje de carga están conectados por pernos. Al modelar, los elementos de contacto se utilizan para simular las superficies de contacto del perno y la brida, la tuerca y la varilla de carga, y el factor de fricción es 0.2; los pernos de conexión adoptan la pretensión especial proporcionada por la Unidad de software ANSYS (PRETS179) y el método de solución para la simulación. En este modelo, el cubo de la rueda, la estructura del perno y la barra de carga están modelados por elementos sólidos. La barra de carga solo sirve para aplicar el momento flector. Se usa un tamaño de elemento mayor para reducir la cantidad de cálculo; la parte de la brida adopta una unidad más densa. división para obtener resultados de cálculo precisos

En el cálculo de elementos finitos, las condiciones de contorno se establecen de acuerdo con la forma en que se fija la rueda de aleación de aluminio y se aplica la carga giratoria al final de la carga. Según la condición fija de la rueda de aleación de aluminio en el banco de pruebas, todos los grados de libertad de los nodos en el borde inferior del cobre de la rueda están restringidos.
Durante la prueba de fatiga por flexión, el orificio del perno de la rueda de aleación de aluminio es propenso a la concentración de tensión. La diferencia en la fuerza de apriete previo del perno de conexión entre el cubo de la rueda y la varilla de carga tiene una gran influencia en el resultado. -La fuerza de apriete se controla ajustando el par aplicado al tamaño del perno. La rueda de aleación de aluminio utiliza pernos MIS x28.SX60, el par aplicado es 110 N · my la fuerza de apriete previo del perno es. El momento de flexión aplicado a la rueda de aleación de aluminio es equivalente a aplicar una carga constante que varía circunferencialmente al final de la carga., La carga completa un ciclo de carga cada rotación de la carga. Con el cambio del ángulo de rotación de la carga, la tensión y la deformación de la rueda de aleación de aluminio cambian continuamente. Al final de la explosión de carga, se aplican las mismas cargas en la dirección circunferencial a intervalos de 15 ° en secuencia, y se obtienen 24 secuencias de resultados, que se utilizan para aproximar los cambios de fuerza de cada nodo de la rueda de aleación de aluminio dentro de una carga. ciclo. Los resultados del cálculo muestran que el nivel de tensión general de la rueda de aleación de aluminio bajo carga estática no es grande, y la parte de tensión más grande aparece en la conexión de la raíz del radio, y la tensión es menor que la tensión permitida del material, lo que indica que la rueda de aleación de aluminio es segura bajo carga estática.

4. Cálculo de la resistencia a la fatiga por flexión de las llantas de aleación de aluminio
4.1 Modelo de estimación de vida Cuando se calcula la vida de fatiga, la precisión de la predicción depende no solo del modelo de elementos finitos exacto y la simulación correcta de la respuesta de tensión y deformación, sino también del uso razonable del modelo de daños. La sección peligrosa de piezas con formas geométricas complejas a menudo se ve afectada por cargas de fatiga multiaxiales, e incluso bajo carga uniaxial, las piezas locales aún pueden estar en un estado de tensión de transmisión múltiple. El modelo de daño por fatiga multiaxial ampliamente utilizado en la actualidad es el método del plano crítico. Este método se basa en el modelo de fractura y el mecanismo de iniciación de la fisura. Se cree que la fisura ocurre en un plano determinado, y la acumulación de daño por fatiga y predicción de vida. se llevan a cabo en este plano El significado físico de. Hay muchos métodos para determinar el plano crítico, y se pueden obtener diferentes criterios de juicio de acuerdo con diferentes parámetros de daño Los modelos de daño comúnmente utilizados en ingeniería incluyen el criterio de deformación principal, el criterio de deformación máxima de corte y el criterio de Brown-Miller. Para los metales frágiles, generalmente se adopta el criterio de deformación principal, es decir, las grietas aparecen primero en el plano con la mayor amplitud de deformación principal. En un uso específico, los métodos simplificados se utilizan a menudo para convertir la tensión y la deformación complejas en una tensión equivalente y una deformación equivalente en el plano de la amplitud máxima de la deformación principal, y luego se utiliza el método de análisis de fatiga uniaxial maduro para calcular el efecto del componente en la tensión múltiple. -carga de la manga Vida de fatiga. El material de la rueda de aleación de aluminio fundido es A356, que es un material quebradizo, y es más adecuado para adoptar el criterio principal de deformación en el análisis de vida a fatiga.

El criterio de cálculo de la duración de la deformación para la fatiga uniaxial ha sido muy maduro, generalmente expresado por la ecuación de Manson-Coffin

Al aplicar el modelo de daño, la tensión y la deformación se descomponen primero en una posible superficie crítica. La tensión y la deformación en cada superficie se calculan mediante el método de recuento del flujo de lluvia para calcular el daño por fatiga de cada ciclo, y luego el criterio de daño acumulativo de Miner. Calcule la vida a fatiga. Tome el parámetro de material 0.014, c = -0.67, y realice cálculos repetidos similares para todos los planos críticos posibles, y tome la vida de fatiga más corta como la vida de fatiga de la rueda de aleación de aluminio.

4.2, Cálculo de la vida de fatiga
El análisis de la vida útil por fatiga generalmente requiere la entrada de parámetros de rendimiento de fatiga y el historial de esfuerzos y deformaciones del material. Los parámetros del material se pueden obtener directamente de la prueba de acuerdo con los estándares relevantes, o se pueden verificar desde el manual de materiales o el software de la base de datos de materiales, y algunas propiedades típicas de fatiga se pueden estimar a partir del módulo elástico y la resistencia última de acuerdo con la fórmula empírica, pero el la precisión es generalmente peor. La tensión elástica y la deformación bajo la carga unitaria calculada por el cálculo de elementos finitos o la carga de prueba se pueden extraer para obtener el historial de tensiones y deformaciones. El resultado del cálculo obtenido por la primera es en realidad la relación proporcional entre la tensión generada por la carga externa , la salida de deformación y la entrada de carga externa. El espectro de carga medido en realidad proporciona un factor de escala variable en el tiempo. El espectro de tensión-deformación del daño por fatiga se puede obtener escalando la respuesta de carga unitaria de acuerdo con el valor numérico de cada punto en el espectro de carga, que es adecuado para cargas de espectro de carga complejas; Es más adecuado para cargas simples de amplitud constante. En circunstancias normales, los componentes funcionan en un estado de tensión elástica. Cuando la fluencia se produce localmente, generalmente se utilizan métodos de corrección aproximada para obtener respuestas de tensión y deformación elástica-plástica. Los métodos de corrección comúnmente utilizados incluyen el criterio de Neuber uniaxial o multiaxial y el criterio de Glink. Durante el análisis de la vida de fatiga de la rueda de aleación de aluminio, las 24 respuestas de resultado de carga obtenidas del análisis estático se extrajeron como un espectro de carga de daño por fatiga típico, y el espectro de tensión se corrigió mediante la tensión promedio de Morrow durante el cálculo. Al calcular la distribución de la vida útil a la fatiga de las llantas de aleación de aluminio, se puede ver que la zona de baja vida útil se concentra básicamente en la parte de conexión de la raíz del radio, que también es el área con mayor tensión bajo el estado de carga estática de la aleación de aluminio. rueda.

5. Análisis de verificación de prueba
Para verificar los resultados del cálculo, las llantas de aleación de aluminio se probaron en la máquina de prueba de fatiga por flexión dinámica B-600A, y el número de pruebas se estableció en 100,000 de acuerdo con los requisitos de diseño. Después de ciclar el período correspondiente, se utiliza el método de penetración de color para verificar si la rueda de aleación de aluminio tiene grietas visibles. La prueba encontró que aparecieron grietas en la parte de contacto de los radios cerca de la brida y la parte de daño por fatiga predicha básicamente coincidió con la grieta de la prueba de fatiga. Los resultados de la prueba de fatiga por flexión de la rueda mostraron que la vida real era menor que la del diseño vida útil, y la parte dañada apareció desde el orificio del perno hasta la rueda. La parte en el medio de la ventana de carga, y no hay grietas en los radios. Este modo de falla es relativamente común, principalmente porque la resistencia de la estructura es débil y la carga del momento de flexión no se ha transmitido a la dirección del radio antes de que ocurra el daño; o la resistencia estructural del radio es demasiado grande y el momento de flexión no se puede transmitir a la dirección de los radios. Concentrarse en la superficie del disco central hace que la rueda de aleación de aluminio se rompa. Al mejorar la estructura, debemos considerar aumentar el volumen de la ranura de reducción de peso de los radios para reducir la rigidez de los radios y facilitar la distribución uniforme de la carga. También se pueden adoptar medidas como aumentar el desplazamiento excesivo del filete y mejorar la calidad de la superficie para la superficie del disco medio con mayor carga.

 6. Conclusión
(1) A través del análisis estático de elementos finitos, se puede comprender la distribución de tensión de las llantas de aleación de aluminio, lo cual es útil para mejorar la estructura, mejorar la capacidad de carga de las llantas de aleación de aluminio y realizar un diseño liviano. Al comparar las conclusiones del cálculo de fatiga y los resultados de la prueba, muestra que el cálculo de simulación de la vida de fatiga puede predecir la posición de falla por fatiga con mayor precisión. Se puede utilizar para el análisis de daños por fatiga en la etapa de desarrollo del producto, mejorar la tasa de paso de la producto, reducir el costo de I + D y acortar el ciclo de I + D.
(2) Utilizando métodos de análisis similares, combinados con los resultados del cálculo de elementos finitos bajo carga unitaria y el espectro de la carretera del vehículo, también puede calcular el daño por fatiga de las piezas en el entorno de trabajo real, lo que es beneficioso para mejorar el diseño estructural y aumentar la vida a fatiga de las piezas.

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