基于田口方法的鋁合金輪轂造型最佳化設(shè)計研究

吳儉濤，陳永亮

（燕山大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，河北秦皇島066004）

基于田口方法的鋁合金輪轂造型最佳化設(shè)計研究

吳儉濤*，陳永亮

（燕山大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，河北秦皇島066004）

應(yīng)用4因子3水平正交實驗建構(gòu)9組輪轂樣本，利用田口方法的望小品質(zhì)特性結(jié)合有限元軟件對輪轂剖面、輪輻數(shù)量、螺栓孔數(shù)及窗口大小4項輪轂造型因子進行信噪比分析，以期獲得鋁合金輪轂的最佳化設(shè)計因子組合。結(jié)果表明：輪轂最佳化設(shè)計因子組合為輪轂剖面a樣式、輪輻數(shù)為8輻、螺栓孔數(shù)為6孔、窗口大小為y造型。輪轂實體樣本測試結(jié)果與I-DEAS模擬分析數(shù)據(jù)相符合，證明田口方法結(jié)合有限元軟件進行輪轂最佳化設(shè)計具有可行性。

鋁合金輪轂；田口方法；有限元分析；最佳化設(shè)計

0　引言

鋁合金輪轂最佳化設(shè)計是融入結(jié)構(gòu)分析、美學(xué)特性等因素的綜合性優(yōu)化解決方案，借以開發(fā)出質(zhì)優(yōu)、量輕、美觀的輪轂產(chǎn)品。近年來，各大輪轂廠商紛紛引入計算機模擬分析軟件對輪轂結(jié)構(gòu)等方面進行模擬預(yù)判等相關(guān)研究。郭威成［1］運用有限元分析方法及臺架試驗對輪轂失效情況進行模擬分析，并進行了實際驗證。孫利［2］提出鋁合金輪轂造型設(shè)計中應(yīng)引入技術(shù)美學(xué)的設(shè)計理念，并利用ABAQUS軟件進行了虛擬臺架試驗有限元分析，得到了輪轂正面和背面容易失效或破壞的部位及其變化規(guī)律。李宏禹［3］提出造型與結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化的輪轂開發(fā)方法。趙亮［4］利用ANSYS軟件對鎂合金輪轂進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。Hsu Yeh-Liang［5］探討了鋁合金輪轂在疲勞限制條件下的減重設(shè)計，通過優(yōu)化逃料孔特征參數(shù)，求解出最優(yōu)的逃料造型以達到減重目的。

現(xiàn)有研究多以有限元軟件模擬分析輪轂結(jié)構(gòu)以達到優(yōu)化設(shè)計的目的，或是探討輪轂造型與結(jié)構(gòu)一體化的輪轂開發(fā)方法，但在輪轂造型的強度優(yōu)化問題方面的研究較少。本文將輪轂造型分解為輪轂剖面、輪輻數(shù)量、螺栓孔數(shù)及窗口大小4個造型因子，結(jié)合田口方法的望小特性并通過信噪比分析正交試驗結(jié)果，得出不同輪轂造型因子對輪轂結(jié)構(gòu)強度的影響及規(guī)律特征。結(jié)合試驗進一步驗證輪轂造型多因子優(yōu)化，即輪轂造型最佳化設(shè)計的可行性。

1　田口方法在鋁合金輪轂設(shè)計中的應(yīng)用

田口方法由田口玄一博士結(jié)合變異數(shù)分析法和直交表發(fā)展而成，它是一種改善產(chǎn)品質(zhì)量問題的優(yōu)化方法［6-7］，其中田口直交表的目的是以最少的時間與成本決定出最佳的設(shè)計參數(shù)［8］，直交表的選取取決于目標函數(shù)的總自由度，總自由度即是分析目標函數(shù)所需的最少實驗次數(shù)［9］。田口方法將信噪比作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的標準，其主要目的是用來衡量產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，S/N比越高表示損失越少，質(zhì)量越穩(wěn)定［10-11］。靜態(tài)質(zhì)量特性有3種S/N比，分別是望小特性、望大特性以及望目特性，其中望小特性是指質(zhì)量特性越小越好，其為連續(xù)且非負值，理想的質(zhì)量特性目標值為零，并且無可調(diào)因子存在［12］；望大特性是指品質(zhì)特性為越大越好，其為連續(xù)且非負值，理想的品質(zhì)特性目標值為無限大，并且無可調(diào)因子存在［13］；望目特性是指品質(zhì)特性目標值為M，其最佳值與目標值一致，當品質(zhì)特性越接近目標值品質(zhì)越佳，一般具有可調(diào)因子［14］。鋁合金輪轂最佳化設(shè)計以輕量化和受應(yīng)力最小為目標，所以使用望小特性作為品質(zhì)特性進行實驗為最佳。本文將鋁合金輪轂造型要素進行分解，并應(yīng)用田口方法繪制輪轂樣本直交表，結(jié)合I-DEAS有限元軟件進行力學(xué)分析，以期用最少的實驗次數(shù)衡量輪轂質(zhì)量的穩(wěn)定性。通過對輪轂四大因子信噪比的分析，找出貢獻度較大的影響因子，從而得到輪轂最佳化設(shè)計參數(shù)組合。

2　基于田口方法的鋁合金輪轂造型最佳化設(shè)計實驗

基于田口方法的輪轂造型最佳化實驗步驟如圖1所示。

圖1　田口方法實驗步驟Fig.1 Experimental procedure of Taguchi method

實驗主要包括7個步驟：輪轂品質(zhì)特性選取、信噪比判定、輪轂造型因子確定、直交表選擇、正交試驗、試驗分析及實體輪轂樣本測試。與輪轂造型密切相關(guān)的品質(zhì)特性主要是重量及強度，本研究將兩項品質(zhì)特性具體化為質(zhì)量最輕與受應(yīng)力最小兩項評價指標。評價指標的信噪比可分為望大特性、望小特性及望目特性，質(zhì)量最輕與受應(yīng)力最小兩項指標皆符合望小特性。將所有影響品質(zhì)的輪轂樣式及形式特征進行羅列，通過分類整理歸并確定為四類造型因子：輪轂剖面、輪輻數(shù)量、螺栓孔數(shù)及窗口大小。按照造型因子的數(shù)目及樣式的數(shù)目選用適當?shù)闹苯槐?，這里選定直交表L9（34）。按照直交表的配置，對每一組參數(shù)進行試驗，并且記錄數(shù)據(jù)。將每一組測量數(shù)據(jù)分別計算其信噪比S/N，并且制作響應(yīng)表探討各因子對于品質(zhì)特性的效應(yīng)，找出造型因子最佳組合。通過試驗分析得出最佳因子組合方案，利用成型設(shè)備獲得其實體輪轂樣本。對實體樣本進行沖擊、彎曲及徑向測試，由測試結(jié)果驗證最佳因子組合方案的強度合理性。

3　鋁合金輪轂最佳化設(shè)計模擬實驗

3.1有限元模擬分析與田口實驗

結(jié)合I-DEAS有限元分析軟件配合田口實驗法，對輪轂受到?jīng)_擊時的變化進行模擬實驗，由于結(jié)構(gòu)強度和負載與應(yīng)力分布有關(guān)系，所以將由IDEAS分析出來的應(yīng)力與重量數(shù)據(jù)代入田口實驗得到最佳化設(shè)計目標。依據(jù)專家組經(jīng)驗及集體討論，將影響輪轂重量和強度特性的主要造型因子劃分為4類：輪轂剖面、輻條數(shù)、螺栓孔數(shù)、窗口大小。本研究選擇3款不同輪轂樣式進行田口實驗設(shè)計，以其獲得最佳造型因子組合方案。3款不同樣式輪轂的造型因子對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1　輪轂造型因子對應(yīng)表Tab.1 Map table of factors in wheel hubs design

輪轂剖面樣式如圖2所示，分別為a樣式、b樣式、c樣式。輪轂輻條數(shù)量如圖3所示，分別為5輻、6輻、8輻。螺栓孔數(shù)如圖4所示，選用常用的3種不同孔數(shù)4孔、5孔、6孔。窗口大小如圖5所示，分別為x樣式、y樣式、z樣式。

依據(jù)田口方法，每個控制因子有3個樣式，自由度為2，共有4個控制因子，所以總自由度為8，最終選取自由度為8的L9（34）直交表，按照此直交表排列因子與樣式組合，得到9組實驗配置表，如表2所示。

圖2　輪轂剖面樣式Fig.2 Profile of wheel hub

圖3　輪轂輻條數(shù)量Fig.3 Quantity of spoke

圖4　輪轂螺栓孔數(shù)Fig.4 Quantity of bolt hole

圖5　輪轂窗口大小Fig.5 Size of the window

表2　L9（34）正交試驗方案Tab.2 Four factors three levels orthogonal experiment

將9組實驗組合進行有限元模擬分析得到應(yīng)力值，將得到的應(yīng)力值和載荷值導(dǎo)入田口實驗，利用望小特性公式計算出9組數(shù)據(jù)的S/N比，結(jié)果如表3所示。實驗數(shù)據(jù)所得應(yīng)力值越小，則S/N比的數(shù)值越小，表明其品質(zhì)特性越好。

表3　正交試驗結(jié)果Tab.3 Results of orthogonal experiment

根據(jù)表3可知，第3組組合的應(yīng)力值與S/N值最小，該造型因子組合的結(jié)構(gòu)強度較好，輪轂因子最佳組合應(yīng)該出現(xiàn)在第3組試驗對應(yīng)的因子組合附近。第8組應(yīng)力值與S/N值最大，表示該造型因子組合的結(jié)構(gòu)強度較弱。

3.2應(yīng)力值響應(yīng)表分析結(jié)果

響應(yīng)表可以判斷各因子對于實驗的重要程度，并且能夠準確得出各因子的最佳樣式組合。由表4應(yīng)力值響應(yīng)表中各因子S/N比和極差值，可以得出：輪轂造型四因子最佳組合為a樣式剖面、8輪輻、6孔和y窗口大?。ǚ謩e取各項信噪比最小值）。計算該最佳組合應(yīng)力值為38.22 MPa，接近正交試驗中第3組試驗數(shù)據(jù)。利用成型設(shè)備獲得該最佳化組合的輪轂實體樣本，并進行強度測試。

表4　各樣式的應(yīng)力值信噪比Tab.4 Stress value signal-to-noise ratio of different model

4　輪轂實體樣本測試

利用成型設(shè)備，獲得2號組、8號組、以及最佳組合組共3組的輪轂實體樣本。利用測試機分別對3組不同造型因子組合的輪轂樣本進行強度測試，獲得不同樣本的內(nèi)部應(yīng)力值，見表5。

表5　3組輪轂樣本內(nèi)部應(yīng)力表Tab.5 Inner stress of 3 groups of wheel hubs samplesN

由表5可知，最佳組合組的內(nèi)部應(yīng)力最小，其結(jié)構(gòu)強度最高。8號組內(nèi)部應(yīng)力最大，結(jié)構(gòu)強度最小，與表3正交試驗結(jié)論相一致。

5　結(jié)束語

本文以結(jié)構(gòu)強度與輕量化為目標，利用田口方法的望小特性與有限元分析軟件I-DEAS進行輪轂優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過交試驗與分析計算得到輪轂的最優(yōu)化設(shè)計組合為a樣式剖面、8輪輻、6孔、y窗口大小的組合。經(jīng)輪轂實體樣本強度測試，結(jié)果與正交試驗結(jié)論相符。田口方法結(jié)合有限元分析可大量減少樣本測試規(guī)模和次數(shù)，提高最佳化設(shè)計方案的獲取效率，為輪轂造型創(chuàng)意方案快速優(yōu)化提供了一個可行的方法和途徑。

［1］郭威成.鋁合金輪轂的有限元分析［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2013.

［2］孫利.鋁合金輪轂設(shè)計的技術(shù)美學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2014.

［3］李宏禹.汽車輪轂造型與結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化方法研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2010.

［4］趙亮.基于ANSYS鎂合金輪轂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2013.

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Research on optimization design of aluminum alloy wheel hubs based on Taguchi method

WU Jian-tao，CHEN Yong-liang
（School of Art and Design，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China）

With L9（34）orthogonal table for Aluminum alloy wheel design factors，the Taguchi＂small-the-better＂and the finite element analysis can provide the best optimized factors combination among wheel profile，quantity of spokes，bolt hole number and the size of the window.The signal to noise ratio shows that the best optimization is the combination：a style，8 spokes，6 bolt hole and y window.Consistent with the results of simulation test，the wheel hub entity sample test further validates the feasibility of the best optimal design.

aluminum alloy wheel hubs；Taguchi method；finite element analysis；optimal design

TB472

A DOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2015.06.010

1007-791X（2015）06-0531-04

2015-09-18 基金項目：燕山大學(xué)青年教師自主研究計劃課題社科A類（13SKA009）

*吳儉濤（1976-），女，吉林省吉林市人，博士研究生，副教授，主要研究方向為工業(yè)設(shè)計、輪轂設(shè)計，Email：wjt1949@ysu. edu.cn。