汽車輪轂的有限元分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

宋小艷

摘要：本文以斯柯達(dá)昕動(dòng)1.6L汽車輪轂為原型，構(gòu)建產(chǎn)品三維建模、有限元分析、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為一體的虛擬設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)可以解決輪轂系列產(chǎn)品開發(fā)中涉及到的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、壽命以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題；在零件生產(chǎn)之前就能夠預(yù)測(cè)零件的應(yīng)力分布、變形情況、疲勞壽命等，從而縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本。

Abstract： This article takes Skoda 1.6L automobile hub as the prototype， constructs a virtual design platform which concludes building 3D modeling of product， finite element analysis and product structure optimization design. The platform can solve the problems of structure， strength， life and optimization design； The stress distribution， deformation， fatigue life of the parts can be predicted before the production of parts， so it can shorten the product development cycle and reduce the cost of products.

關(guān)鍵詞：輪轂；有限元分析；SolidWorks

Key words： automobile hub；finite element analysis；SolidWorks

中圖分類號(hào)：U463.343 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）16-0123-02

1 汽車輪轂介紹

汽車輪轂的性能和使用壽命在一定程度上決定了汽車的安全性和可靠性。由于鋁合金輪轂具有減震性能好、散熱快、容易制造等優(yōu)點(diǎn)，而且鋁合金輪轂重量較輕，制作精度高，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的變形小，慣性阻力小，有利于提高汽車的直線行駛性能，減小輪胎滾動(dòng)阻力，從而減少了油耗，所以，目前市場上原廠車的合金輪轂以鋁合金為主，都是由A356合金系合金生產(chǎn)的。

2 輪轂的材料選擇及其設(shè)計(jì)參數(shù)

輪轂材料為A356（ZAlSi7MgA）合金材料，其化學(xué)成分與ZL101合金基本相同，是ZL101的改進(jìn)型，其特點(diǎn)是具有良好的鑄造性能，流動(dòng)性高，無熱裂傾向，氣密性高，適合成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的輪轂；同時(shí)又具有比較高的耐腐蝕性，經(jīng)過熱處理強(qiáng)化和合金淬火后有自然時(shí)效能力，因而具有較高的塑性和強(qiáng)度，滿足輪轂高強(qiáng)度和剛度的性能要求，鎂鋁合金A356材料具體參數(shù)見表1。

本文以斯柯達(dá)昕動(dòng)1.6L轎車原廠輪轂為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，不修改主要參數(shù)，只對(duì)輻條的結(jié)構(gòu)外形進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模賹?duì)其進(jìn)行有限元析。輪轂的主要參數(shù)，見表2所示，其外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 SolidWorks輪轂建模

輪轂的三維建模流程：利用SolidWorks繪制輪轂設(shè)計(jì)草圖，首先繪制中心線，根據(jù)實(shí)際參數(shù)繪制草圖斷面，命令草圖斷面以中軸線旋轉(zhuǎn)，繪制輪轂輻條部分，旋轉(zhuǎn)斷面形成輪轂外形，然后繪制輪轂的輻條輪廓，設(shè)計(jì)五根輻條，不僅可以減輕輪轂的重量，還可以起到擾流作用。接下來以輪轂中線為中心建立正五邊形，其內(nèi)切圓半徑為50mm，確定安裝孔位置。最后裝配各零件部分，得到所需要的3D模型，如圖2所示。

4 輪轂的有限元分析

4.1 輪轂的載荷計(jì)算

本文輪轂是針對(duì)斯柯達(dá)昕動(dòng)1.6L車為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，其相關(guān)資料見表3。

理論上平均每個(gè)輪轂所能承受的最大扭矩應(yīng)不小于

T=155N·m×3.6×4.534×95%=2403.5N·m

根據(jù)實(shí)際情況：點(diǎn)剎時(shí)的扭矩大約為T×（1+6%）=2549.3N·m。

最大速度情況下的扭矩大約增加2.27倍左右，但該款車型是兩輪驅(qū)動(dòng)，所以最大扭矩應(yīng)該為2500N·m。

4.2 有限元分析具體步驟圖解

①將SoildWorks軟件建立好的輪轂?zāi)Ｐ蛯?dǎo)入ANSYS。

②設(shè)定網(wǎng)格劃分參數(shù)并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示，定義網(wǎng)格尺寸為15mm。

③添加材料信息，按照表1數(shù)據(jù)，添加材料屬性。

④施加載荷以及約束條件，根據(jù)輪轂的受力情況對(duì)其施加扭矩，設(shè)定接觸選項(xiàng)，在本文中接觸選項(xiàng)已綁定，添加固定約束，如圖4所示。

⑤添加扭矩在輪轂輻條中心面上。

⑥選擇參考受力面，載荷類型為standard earth gravity，方向沿負(fù)Z軸方向，大小為15000N，見圖5所示。

⑦設(shè)定結(jié)果參數(shù)，即設(shè)定要求解的問題及物理量，如圖6所示，對(duì)安全極限進(jìn)行求解。

從安全極限分析圖可以看出，該輪轂最危險(xiǎn)部位是輻條部分，由其分析結(jié)論可知：最大安全極限為14，最小安全極限為1.62。由此可見，該輪輞在受力狀態(tài)下產(chǎn)生的形變是比較大的，所以需要對(duì)輪轂的輻條進(jìn)行優(yōu)化，建議改變輪轂輻條的厚度及其邊緣過渡方式，這樣可以改變零件在受力狀態(tài)下的分散應(yīng)力，進(jìn)而可以增加零件的強(qiáng)度及其安全系數(shù)；另外也可以增加骨架設(shè)計(jì)，從而增加零件強(qiáng)度。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用SolidWorks建立鋁合金車輪的參數(shù)化模型，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)鋁合金車輪進(jìn)行強(qiáng)度分析，找到車輪的最危險(xiǎn)位置，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明有限元分析是正確性，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果是可靠的。

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