對(duì)于未來鍛造車輪的設(shè)計(jì)，Otto Fuchs（德國(guó)歐福控股有限公司）使用可以預(yù)測(cè)熱處理過程中殘余應(yīng)力的模擬工具。這樣可以實(shí)現(xiàn)更精確和重量更輕的組件設(shè)計(jì)。
有限元方法設(shè)計(jì)

為了將操作負(fù)荷考慮在內(nèi)，Otto Fuchs將有限元方法（FEM）支持的設(shè)計(jì)作為鍛造鋁車輪產(chǎn)品開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)部分已有數(shù)年之久。除了雙軸車輪疲勞測(cè)試的有限元模擬（Zwarp =雙軸道路載荷譜）之外，彎曲疲勞試驗(yàn)（BUP）的FEM模擬也一直用于所有新車輪的開發(fā)，以顯示在繞著圓周轉(zhuǎn)彎時(shí)載荷如何轉(zhuǎn)移。

Otto Fuchs產(chǎn)品開發(fā)的一個(gè)組成部分是鍛造過程的三維模擬，該過程旨在實(shí)現(xiàn)精益和高效的過程開發(fā)。
為了模擬作用在鍛造車輪上的服役載荷，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定了位置特定的最大允許部件應(yīng)力。然而，未加工的鍛造部件的幾何條件及剛性和體積比，在不同的車輪造型之間可以顯著變化，從而影響由熱處理引起的內(nèi)部殘余應(yīng)力。
這些殘余應(yīng)力與操作載荷重疊，到目前為止，還不可能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)這些殘余應(yīng)力。因此，車輪設(shè)計(jì)必須考慮與這些殘余應(yīng)力對(duì)車輪幾何形狀所有可能的影響。
如果在熱處理過程中產(chǎn)生的局部殘余應(yīng)力的大小也可以在空間上精確預(yù)測(cè)，
那么對(duì)于疲勞壽命至關(guān)重要的區(qū)域?qū)⒉辉傩枰鶕?jù)最壞情況原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。相反，它們可以通過考慮實(shí)際殘余應(yīng)力來設(shè)計(jì)。
淬火過程的模擬
作為流程的第一步，Otto Fuchs正在向前推進(jìn)通過模擬熱處理過程中的淬火過程。 為此，必須更詳細(xì)地考慮所用材料的特性和淬火過程的復(fù)雜效果。鍛造車輪的所用的材料是可熱處理的鍛造鋁合金AlSi1MgMn（EN AW 6082）。
為了獲得最大的機(jī)械強(qiáng)度，在固溶退火后需要快速冷卻，以獲得過飽和的固溶體。 然而，在淬火期間也會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 這些是由于部件表面和芯部的冷卻速率不同而發(fā)生的。

為了盡可能準(zhǔn)確地確定這些殘余應(yīng)力的大小，方向和位置，有必要模擬在水浴淬火過程中連續(xù)發(fā)生的三種傳熱機(jī)制，膜，沸騰和對(duì)流階段。從淬火到加工零件到成品幾何形狀的殘余應(yīng)力發(fā)展的完整過程總共需要六個(gè)步驟才能產(chǎn)生模擬。

將時(shí)間和空間的函數(shù)從CFD模擬輸出到FEM模擬。 對(duì)于結(jié)構(gòu)模擬，考慮了與溫度相關(guān)的材料行為。
殘余應(yīng)力和變形的計(jì)算
通過在淬火之前和之后對(duì)同一輪的3-D掃描，可以計(jì)量地記錄由淬火過程引起的變形。 在這里，模擬變形和測(cè)量變形在定性和定量上非常接近。
熱處理工藝的最后一步是人工時(shí)效至T6條件。在時(shí)效過程中，合金基體中處于亞穩(wěn)態(tài)過飽和狀態(tài)的合金元素作為強(qiáng)化相沉淀。 這種現(xiàn)象并不是由材料模型直接解釋的。 為了簡(jiǎn)化人工老化狀態(tài)的材料特性使用具有較高機(jī)械強(qiáng)度性能的材料進(jìn)行取代。
在人工老化并冷卻至室溫后，將未完成的部件加工成其最終尺寸。在模擬中，要加工的區(qū)域只需從中移除有限元模型。在模型中應(yīng)用簡(jiǎn)化的假設(shè)，使得加工過程本身不會(huì)引入額外的應(yīng)力。
加工引起部件剛性的變化，這又可以導(dǎo)致應(yīng)力的重新分布和變形。通過加工前后的零件的三維掃描，再次驗(yàn)證了加工過程中的模擬變形。加工后殘余應(yīng)力的分布不均勻；存在具有殘余壓應(yīng)力的區(qū)域以及具有殘余拉應(yīng)力的區(qū)域。這種分布在很大程度上取決于鍛造輪的造型。
測(cè)試與驗(yàn)證
在熱處理和機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)部殘余應(yīng)力與轉(zhuǎn)彎疲勞試驗(yàn)中的操作載荷重疊。 在該測(cè)試中，將恒定的彎曲應(yīng)力幅度引入鍛造輪。 這是一個(gè)純彎曲應(yīng)力載荷的問題，應(yīng)力比R = -1。 如果操作載荷與殘余應(yīng)力相互作用，則平均應(yīng)力可以根據(jù)存在的殘余應(yīng)力移動(dòng)到壓縮或拉伸狀態(tài)。 還取決于材料特定的平均應(yīng)力靈敏度，因此此時(shí)允許的應(yīng)力可以增大或減小。 圖5顯示了無模擬試驗(yàn)（左）和考慮殘余應(yīng)力的模擬試驗(yàn)（右）的比較。
本文中描述的方法用于另一個(gè)鍛造輪，以驗(yàn)證CFD和FEM模擬中識(shí)別的參數(shù)。 兩個(gè)組件在剛度和尺寸方面都存在顯著差異。 盡管如此，通過模擬確定的疲勞壽命與兩個(gè)車輪的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果高度相關(guān)。
總結(jié)
對(duì)于鍛造輪的尺寸，迄今為止僅可能基于經(jīng)驗(yàn)的最壞情況原則下的設(shè)計(jì)，以在預(yù)測(cè)疲勞壽命時(shí)考慮殘余應(yīng)力。在該開發(fā)項(xiàng)目中應(yīng)用的模擬淬火過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的方法，用于尺寸為5?J×20H2 ET53的鍛造輪和具有顯著不同剛度比的10J×19EH2 ET40的兩個(gè)車輪。分析證明，該方法可以在定性和定量上很好地表示殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響。
因此，現(xiàn)在可以使用合適的模擬工具用于未來的鍛造輪設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)從熱處理過程中剩余的殘余應(yīng)力，并因此實(shí)現(xiàn)甚至更精確和重量?jī)?yōu)化的部件設(shè)計(jì)。