Numerical modeling of rotary bending fatigue test of aluminium wheels considering the effect of residual stresses

Wheels are critical components for vehicle safety. To ensure the adequate safety levels, wheel manufacturers need to verify their products against severe standard tests such as impact test, rotating bending fatigue test and rolling fatigue test. Numerical model is developed to simulate the rotary bending fatigue test of aluminium wheel according to the SAE standard J328. In the model, the presence of residual stresses in the wheel, that have significant effect on fatigue behaviour is considered. Different methods for computing the fatigue life with residual stress effects are implemented. Experimental tests on a rotary bending fatigue test bench carried out by the industry are used for validating the proposed model. Feasibility of material ‘forged aluminium alloy Al 6061-T6’ as a replacement for ‘cast aluminium alloy A356-T6’ is then studied. To achieve this, a wheel made of ‘Al 6061-T6 alloy’ is used to extract cylindrical specimens from the specified zones on which stress and strain controlled fatigue tests are carried out in order to evaluate the fatigue properties of material. These are then substituted in the numerical model developed for the rotary bending fatigue in order to simulate the test and evaluate the fatigue life of the wheel . The fatigue life of wheel made from two different materials are calculated and compared.

Il cerchione di un veicolo è un componente critico per la sicurezza stradale. Per garantire un livello di sicurezza adeguato, le case costruttrici hanno bisogno di testare i loro prodotti utilizzando severi standard come la prova d'impatto, la prova di fatica a flessione rotante e la prova di fatica a rotolamento. E' stato sviluppato un modello numerico in modo da simulare il test di fatica a flessione rotante secondo lo standard SAE J328. Nel modello è stata considerata anche la presenza di stress residui sulla ruota poiché hanno un effetto significativo sul comportamento a fatica. Sono stati implementati differenti metodi per calcolare la vita a fatica tenendo conto degli effetti degli stress residui. Le prove sperimentali di fatica a flessione rotante condotte dall'azienda sono state usate per validare il modello in considerazione. E' stato condotto inoltre uno studio di fattibilità sul materiale in modo tale da rimpiazzare la lega d'alluminio in pressofusione A356-T6 con la lega d'alluminio forgiata Al 6061-T6. Per riuscire ad ottenere questo risultato, un cerchione composto dalla lega d'alluminio Al 6061-T6 è stato usato per l'estrazione di provini cilindrici in zone specifiche sui quali sono stati condotti test a fatica con sforzi e deformazioni controllati per valutare le proprietà a fatica del materiale. Queste proprietà, in seguito sono state sostituite nel modello numerico sviluppato per la prova di fatica a flessione rotante in modo tale da simulare il test e valutare la vita a fatica della ruota. E' stata calcolata quindi la vita a fatica di due ruote con differenti materiali ed è stata condotta una comparazione tra le due configurazioni.