引言

目前，大多数零部件会借助有限元分析为实际应用提供理论分析和参考。通过建立数学模型，并以该模型的控制参数作为设计变量，采用遗传算法对转向垂臂进行了一系列的尺寸优化;利用各种表征手段对汽车转向器垂臂失效原因进行了分析，发现了汽车转向器垂臂失效的原因是其内部显微组织出现缺陷以及硬度太低。

1激光增材制造金属材料疲劳寿命

轻质长寿、多功能、低成本一直是飞机结构设计追求的目标.近年来，随着拓扑优化概念引入飞机结构设计，高效减重成为可能，一体化结构逐渐变多，增材制造技术在航空领域得到了广泛的应用，并且不断取得重大突破，已经实际应用于飞机关键零部件的研发和试制.增材制造技术突破了传统制造工艺的变形成形和去除成形的常规思路，基于离散/堆积的原理，实现零件从无到有的过程.因为受制造工艺限制较少，因此在结构设计时可将传统基于“工艺优先”的设计模式向基于“性能优先”的设计模式转变，同时兼顾了经济性和生产效率.目前比较成熟的金属材料增材制造技术主要有选区激光熔化制造（SLM）、激光立体成形制造（LSF）、电子束选区熔化制造（EBSM）、电子束熔丝制造（EBF3）等.其中SLM技术作为增材制造技术的一种，具有节省原料、不受形状复杂程度限制、无需模具和制备周期较短等优点，适用于形状复杂和高精度零部件的制造，在航空航天、医疗和国防等领域得到了广泛应用.而常用的增材制造金属原材料的形式有两种：粉末和丝束.一般细粉（直径15~50µm）用于粉末床铺粉增材制造，粗粉（直径45~180µm）和丝束（直径1~1.6mm)用于同轴送粉/丝增材制造.目前应用于航空领域的增材制造金属材料主要包括铝合金、钛合金和镍基高温合金，飞机机体结构主要采用铝合金和钛合金，而发动机主要采用钛合金和镍基高温合金.针对这些材料的疲劳性能，学者们开展了一系列试验研究。

2不同金属材料转向垂臂疲劳

静力学分析，由于40钢、20CrMo两种材料的转向垂臂分析结果相似，故下文都以40Cr和TC4为例。通过ANSYS静力学模块对某型汽车转向垂臂进行后处理求解，可获得其总形变云图以及应力云图，40Cr材料的转向垂臂最大总形变最小，表示其抗形变能力最强;转向垂臂应力云图中标记的最大值位置即为危险点的位置。经过静力学模块后处理求解，TC4钛合金的转向垂臂最大应力最小，说明其刚度最好，40Cr得转向垂臂最大总形变最小，说明其强度最好。

33D打印金属材料疲劳实验及数值模拟

3.1不锈钢

不锈钢可在固溶处理条件下生产，由于其碳浓度较低，易于加工，经适当热处理后，具有较高的拉伸/冲击强度、断裂韧性和耐腐蚀性等优异的力学性能，因此，广泛应用于制作航空工业、核工业、海军工业和化学工业中高强度和耐腐蚀性的部件。17-4PH型不锈钢具有高的抗应力腐蚀性能和高的断裂韧性，是应用最广泛的PH马氏体不锈钢之一。17-4PH不锈钢的力学性能是通过回火处理来定制的，也称为时效或时效硬化。在环境空气中对常规制造和3D打印的17-4PH不锈钢进行了静态和疲劳试验。发现两种工艺条件下的抗拉强度相近，但3D打印不锈钢的塑性明显低于常规制造不锈钢。两种材料的应变-寿命疲劳曲线都表现出从低周疲劳区到高周疲劳区的转折点。制造过程中产生的缺陷和孔隙，导致3D打印不锈钢的疲劳性能和延展性减弱。

3.2铝合金

铝合金具有质量轻、强度高、耐腐蚀、可焊性好等特点，由铝合金组成的工程构件传统上采用铸造、锻造、挤压、粉末冶金等工艺。近年来，随着3D打印（AM）技术的发展，越来越多的企业开始采用选择性激光熔化（SLM）工艺制备铝硅基合金（AlSi），特别是AlSi10Mg，使其适用于汽车、航空航天、机械及工装、国防、建筑等行业。

近年来，随着安全要求的不断提高，越来越多的工程构件被设计成承受107个循环（称为极高周疲劳，VHCF）以上的疲劳寿命，甚至高达108~109个循环。对于低周疲劳，只需消耗少量的加载循环就可萌生裂纹。然而，在高周和极高周疲劳工况下，超过80%~90%的疲劳寿命将消耗在裂纹萌生阶段，这与低周疲劳工况完全不同。疲劳寿命分布的统计极值主要基于大量的实验数据。实验结果表明，高周和极高周疲劳寿命存在分散性，这是由于微观结构和缺陷分布的变化造成的。然而，通过实验数据采集来重建微结构非常缓慢和复杂。提高SLM成形AlSi10Mg疲劳性能预测效率的最佳途径之一是采用先进的计算技术，即晶体塑性有限元（CPFE）框架。CPFE方法使我们能够用较好的近似实现复杂的算法来模拟金属结晶系统中尺度行为的非线性物质响应。

结束语

综上所述，1)40Cr材料的转向垂臂的强度最好，TC4钛合金材料的转向垂臂刚度最好。通过应力应变以及疲劳分析进行4种金属材料转向垂臂的强度、刚度、使用寿命、安全系数以及自身质量等综合比较，TC4钛合金材料的转向垂臂的综合性能优于40Cr材料的转向垂臂;2)为了满足某型汽车转向垂臂的轻量化以及可靠性，结合有限元分析结果，可对转向垂臂的无损检测和使用性能(强度、刚度以及使用寿命等)的优化提供一定的理论参考。

参考文献

[1]迟佳轩.表面强化钛合金修复接头的微观组织演变与疲劳延寿机理研究[D].吉林大学,2022.

[2].金属材料拉伸与疲劳性能预测研究取得新进展[J].表面工程与再制造,2022,22(02):49-52.

[3]GB/T41154-2021,金属材料　多轴疲劳试验　轴向-扭转应变控制热机械疲劳试验方法[S].