工程机械车轮是工程机械的重要传动部件,其结构强度直接影响整机的安全性和稳定性。而工程机械车轮作为一种典型的焊接结构件,其结构中包含多条多种形式的焊缝,在车轮弯曲以及径向疲劳试验过程中,焊缝承受着较大的扰动应力,焊趾等应力集中处极易萌生裂纹,并迅速扩展,最终导致车轮疲劳断裂,因此焊缝的疲劳分析不可忽视。为了研究焊缝疲劳对车轮弯曲以及径向疲劳寿命的影响,本文以某型号工程机械车轮为研究对象,首先采用逆向工程技术创建包含焊缝在内的车轮三维实体模型,接着分别建立车轮弯曲以及径向疲劳分析的有限元模型,对车轮进行静力学分析;然后结合静力学分析的应力结果,选择名义应力法对车轮进行疲劳分析,其中对于车轮的焊缝区,分别选用英国钢结构疲劳设计与评估实用标准BS7608:1993和国际焊接学会提出的焊接接头及其构件的疲劳设计标准IIW两种标准对车轮焊缝区进行疲劳评估;最后将含有焊缝的车轮弯曲和径向疲劳寿命与不含焊缝的车轮弯曲和径向疲劳寿命结果对比,对比结果显示:对于车轮同一条焊缝疲劳寿命的评估,IIW标准比BS7608:1993标准要保守;车轮弯曲疲劳最危险位置为轮辋和轮辐连接的角焊缝处,最小寿命为40.6万次;车轮径向疲劳最危险位置为轮辋中段和下段对接的环焊缝处,最小寿命为410.2万次。为验证弯曲疲劳仿真的正确性,对车轮进行了弯曲疲劳试验,试验结果显示车轮疲劳裂纹产生于轮辋与轮辐连接的角焊缝处,与仿真结果一致;为了解车轮径向疲劳危险的可能性,采用Goodman疲劳极限图对车轮径向疲劳危险点进行评估,结果表明疲劳危险点的应力均在Goodman曲线范围内,且有大量的优化空间。由工程机械车轮弯曲和径向疲劳分析结果可知,车轮的弯曲疲劳寿命达到了国家标准的要求,而径向疲劳寿命则远远超过了国家规定的100万次的要求,所以在径向疲劳试验条件下,该车轮结构的优化潜能很大。由于车轮轮辋中段的厚度为8mm,轮辋下段以及挡座圈的厚度为11mm,轮辋中段和轮辋下段焊接连接后,焊缝处存在较大的应力集中,为减小应力集中对车轮疲劳寿命的影响,考虑对车轮轮辋下段以及挡座圈进行优化,而车轮的形状又相对固定,所以采用的优化方案是对这两个构件进行尺寸优化。首先建立车轮尺寸优化的有限元模型,接着分别以轮辋下段和挡座圈的单元厚度为优化设计变量,重量为目标函数,位移为约束条件进行优化,优化结果显示:车轮轮辋下段以及挡座圈的厚度均由原始设计的11mm变为9mm;然后再次对轻量化设计后的车轮弯曲和径向疲劳寿命进行计算,计算结果显示:车轮弯曲疲劳最危险位置为轮辋和轮辐连接的角焊缝处,最小寿命为43.9万次;车轮径向疲劳寿命最危险的部位是车轮轮辋下段处,最小寿命为217.8万次;因此优化后车轮的弯曲和径向疲劳寿命均满足国家标准的要求。最后通过疲劳试验对上述仿真结果进行了验证。