镁、铝对摩托车轮毂服役应力状态的影响

　　轮毂是汽车、摩托车上最重要的安全性能结构件之一,行驶过程中要受到弯曲、扭转、冲击、震动等多种载荷作用,受力状态复杂.为了确保安全服役,除要求材料具有良好的强度、高的塑韧性及高的抗疲劳强度等力学性能外,尽可能减轻质量和美化外观,是今后轮毂的技术发展方向.

　　镁是最轻的商用金属结构材料,具有比重小、高比强度、高比刚度以及良好的铸造性能和阻尼、吸震、降噪能力强等一系列优点[1, 2],不仅能较好的满足车、摩托车轮毂对轻量化的要求,而且能减震降噪、降低油耗和污染排放、提高动力性能.镁合金在摩托车上的应用早始于上世纪30年代,80年代之后步入了一个飞速发展的时期[3],据报道,欧美日等西方发达国家镁合金摩托车轮毂的专业制造厂商现多达十几家,所生产的镁合金轮毂可用于上百种摩托车型.

　　与国外镁合金轮毂的生产与应用相比,我国明显不足,与国内丰富的镁资源储藏量形成较大的反差.目前国内大多数汽车、摩托车轮毂结构是基于铝合金设计的,为镁合金在轮毂上的应用提供了广阔的前景,但缺乏理论指导.鉴于镁合金与铝合金在性能上差异较大,为探索镁合金在轮毂上的合理应用,进行材料更新换代,本文在前期所研究的150cc摩托车铝轮毂结构的基础上,在相同工况下对镁合金材料的轮毂用有限元法进行了应力分析,为镁合金在轮毂上的应用及结构再设计等后续研究提供力学依据.

　　1　有限元分析

　　1·1　轮毂材料的选用及性质

　　AM60B是一种铸造镁合金,属于镁-铝系合金,除了具有前言中所述镁合金的共同特性外,良好的流动性等铸造性能特别适合轮毂进行压力铸造,高伸长率、高韧度、高屈服强度以及抗拉强度等良好的综合力学性能,符合轮毂对材料特定性能的要求.分析过程中所涉及到的AM60B及A356·0的弹性及力学性能参数如表1所示[4].

　　1·2　有限元法的理论基础[4,5]

　　在弹性服役条件下,应用弹性空间问题有限元法理论对该结构轮毂进行应力分析,有限元法理论基本推导过程如下:

　　1·2·1　空间问题的离散化

　　以离散化的微元体表示弹性体空间一点处的应力状态,则三向应力状态的力学模型如图1.

　　1·2·2　单元分析

　　在研究的弹性空间内,任一点的应力、应变、位移及其之间的关系可表达如下:

　　1)单元内任一点的位移函数

　　2)应变与位移的关系———几何方程:

　　3)应力与应变的关系———物理方程:

　　利用虚功原理,可建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系,即单元刚度方程: