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本文通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)鍛制輪轂進(jìn)行彎曲疲勞的模擬分析，從仿真分析計(jì)算所得的疲勞壽命云圖中，可以直觀的判斷出輪轂的疲勞發(fā)生區(qū)域，通過(guò)試驗(yàn)研究，進(jìn)一步證實(shí)了有限元在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為提高鍛制輪轂的壽命，提供了可行的辦法。

疲勞基本概念

疲勞是工程中最常見(jiàn)的一種零件破壞方式。金屬零件在交變載荷作用下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后發(fā)生的破壞，稱為疲勞。對(duì)于輪轂來(lái)說(shuō)，正常使用情況下產(chǎn)生的破壞也主要是疲勞破壞。工程上將疲勞分為高周疲勞和低周疲勞，在使用周期內(nèi)，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)超過(guò)105次產(chǎn)生的疲勞，稱為高周疲勞；應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在102～105次之間的疲勞，稱為低周疲勞。

疲勞破壞的過(guò)程：零部件在循環(huán)載荷作用下，在局部的最高應(yīng)力處，最弱的晶粒及應(yīng)力最大的晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。所以，疲勞破壞經(jīng)歷了裂紋形成、擴(kuò)展、和瞬斷三個(gè)階段。疲勞裂紋源一般總是出現(xiàn)在應(yīng)力最高的部位。對(duì)于受彎曲或扭轉(zhuǎn)的零件和構(gòu)件，表層的應(yīng)力最高，所以裂紋源大多在零件和構(gòu)件表層的峰值應(yīng)力處，如表面加工刀痕、表面應(yīng)力集中部位、冶金過(guò)程中表面留下的缺陷、各種加工過(guò)程造成的表面裂紋等。觀察宏觀斷口可見(jiàn)，裂紋源可以是一個(gè)或多個(gè)，這主要由材料和受載情況決定。裂紋一般自亞表面一大晶粒處的穿晶斷裂開(kāi)始。

疲勞試驗(yàn)的有限元模擬

彎曲疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法

彎曲試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)很多，常用的有日本JWL標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)DOT標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)等，雖然可以遵循的標(biāo)準(zhǔn)很多，但所有標(biāo)準(zhǔn)的原理都是一樣的，都是模擬汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)輪轂的受力情況，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1轉(zhuǎn)彎彎曲疲勞試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)臺(tái)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置，輪轂靜止不動(dòng)，承受一個(gè)旋轉(zhuǎn)彎曲力矩M的作用，我們將根據(jù)此裝置確定輪轂的載荷情況。

疲勞試驗(yàn)仿真

⑴輪轂彎曲試驗(yàn)幾何模型的生成。

利用UG等CAD造型軟件，按圖紙要求建立輪轂3D實(shí)體模型，按試驗(yàn)條件做出螺栓、法蘭及旋轉(zhuǎn)軸的3D造型如圖2所示。

圖2 輪轂結(jié)構(gòu)的有限元分析實(shí)體模型

⑵輪轂彎曲試驗(yàn)分析模型的建立。

完成輪轂幾何模型后，就可以建立它的有限元模型，首先是進(jìn)行網(wǎng)格劃分(Mesh)。由于輪轂是形狀極不規(guī)則的實(shí)體，因此選用對(duì)邊界擬合能力較強(qiáng)的四面體10節(jié)點(diǎn)Solid92單元對(duì)輪轂進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完成后共生成320753個(gè)節(jié)點(diǎn)，181748個(gè)單元，網(wǎng)格劃分后的模型如圖3所示。

圖3 輪轂結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型

（節(jié)選自《鍛造與沖壓》雜志，2015年·第11期）