FSAE賽車車輪設(shè)計及靜強度仿真分析

修浩然　馬天放　周朋飛　田杰　夏衍　陳書郅

摘 要：文章以Wonder7號鋁合金車輪為研究對象，在CATIA軟件中建立賽車車輪的三維模型，并導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中生成輪輞和輪輻的幾何模型。根據(jù)計算極限工況下，對Wonder7號車輪進行受力分析，并對車輪的受力載荷進行確定。建立車輪的有限元模型并進行有限元分析。通過仿真得出車輪的受力分布云圖，尋找出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)缺陷及失效位置，得到車輪的等效應(yīng)力云圖和等效應(yīng)變圖。根據(jù)所得賽車車輪相應(yīng)的應(yīng)力分布情況，對其靜強度進行了分析，為車輪設(shè)計提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：靜強度;Ansys有限元分析;車輪設(shè)計中圖分類號：U463.34? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）01-102-03

Abstract： This paper takes Wonder7 aluminum alloy wheel as the research object， establishes the 3d model of racing wheel in CATIA software， and imports it into ANSYS Workbench software to generate the geometric model of rim and spoke. According to the calculation of the limit condition， the stress analysis of wonder7 wheel was carried out， and the stress load of the wheel was determined. The finite element model of wheel is established and analyzed. The stress distribution nebugram of the wheel was obtained through simulation， and the structural defects and failure positions of the product were found out. The equivalent stress nebugram and equivalent strain diagram of the wheel were obtained.According to the stress distribution of race car wheels， the static strength of race car wheels is analyzed.Keywords： Static strength; Ansys finite element analysis; The wheel designCLC NO.： U463.34? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-102-03

引言

賽車車輪是車輛承載的重要安全部件，行駛過程中，賽車車輪承受來自路面不同幅值、不同頻率的激勵除受垂直力外，還受因車輛起動、制動時扭矩的作用，轉(zhuǎn)彎、沖擊等來自多方向的不規(guī)則受力。高速旋轉(zhuǎn)的車輪直接影響車輛的平穩(wěn)性和操縱性。FSAE比賽對賽車的安全性和美觀度需求也是不斷的提高，對車輪要求尺寸精度高、不平衡度小、質(zhì)量輕、高耐疲勞性、足夠的剛度和彈性并且大方美觀。如何實現(xiàn)車輪的高要求是一個設(shè)計者長期研究的過程，利用ANSYS軟件對車輪運動過程進行靜力學(xué)分析，對防止輪轂由于振動造成變形或損壞等現(xiàn)象和優(yōu)化輪教參數(shù)具有重要的工程應(yīng)用價值。

1 鋁合金車輪建立三維立體化模型

賽車車輪由輪輞及輪輻構(gòu)成。輪輞與輪胎結(jié)合部分尺寸由國標（GB3487-1996）規(guī)定。本次設(shè)計屬于深槽寬輪輞，結(jié)構(gòu)簡單、剛度大、質(zhì)量小;同時又可提高輪胎使用壽命，并可通過其來改善汽車的通過性和行駛穩(wěn)定性。輪輞的結(jié)構(gòu)、輪輞的設(shè)計應(yīng)嚴格遵照標準的規(guī)定選用適合整車要求的輪輞規(guī)格。賽車輪輻設(shè)計屬輻板式車輪。輪輻的形狀是多種多樣的，輻板式車輪的安裝尺寸在標準中有明確的規(guī)定。其中輪輻螺栓孔分布圓直徑、螺栓孔直徑、球面半徑（或錐面角度）、球面深度（或外直徑）和輻板安裝面平面直徑是保證車輪能夠同各類賽車的車輪正確配合的重要尺寸。車輪安裝面，包括支撐面、螺栓孔，是車輪與車軸的連接部分。最合理的設(shè)計是能將螺栓擰緊力矩均勻地傳遞到安裝面處，最高夾緊力負荷發(fā)生在安裝面最大直徑處。輪轂螺栓安裝孔做成錐形以便于車輪對中。輪輻邊緣是與輪輞相連的部分，設(shè)計要求是要減小邊緣部分的剛度，這樣在受到較大的沖擊負荷時，邊緣部分可產(chǎn)生一定的彎曲變形，起到緩沖作用。

2 鋁合金車輪的力學(xué)性能分析

2.1 賽車車輪的受力分析

對任何一個零件進行有限元分析時，如何添加合理的邊界條件和載荷是重中之重，是需要解決的的基本問題。車輪在道路上行駛時，行駛狀況復(fù)雜，為了準確模擬車輪正常工作情況，要求對車輪進行詳細的受力分析，確定對車輪有重要影響的力和力矩，再對邊界條件進行合理地簡化，這樣才能得到與實際較貼近的仿真結(jié)果。

在workbench中對裝配體進行分析，首先對輪輞與輪胎接觸面進行綁定約束;對輪轂安裝軸承面施加切向力（force3）和徑向力（force）;對輪轂端面施加壓力（force2）;對輪轂螺栓施加螺栓預(yù)緊力（bolt pretension）;對輪輻與輪轂螺栓接觸面施加制動力矩（moment）。具體如圖1所示。

2.4 仿真分析

將CATIA軟件繪制的輪輞三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中生成輪轂、輪輻和輪輞的幾何模型。根據(jù)模型的簡化原則，對輪輞作出了如下簡化處理：對焊接和螺栓連接部分采用了綁定連接方式，輪輞與輪輞連接的方式選擇Workbench連接關(guān)系中的摩擦副（friction）。由于本次分析主要關(guān)心輪輞關(guān)鍵零件的強度問題。

2.5 網(wǎng)格劃分步驟

進行網(wǎng)格的整體設(shè)置，模型整體選擇四面體法中的Patch Conforming 法進行網(wǎng)格的整體劃分，有輪輞的體積遠超輪輻與輪轂，因此控制輪輞的網(wǎng)格單元尺寸 element size為4mm，控制輪輻與輪轂的網(wǎng)格單元尺寸 element size為2mm。為了提高網(wǎng)格的質(zhì)量，對網(wǎng)格參數(shù)進行設(shè)置，將Relevance 提升到100，Transition改為slow，Span Angle Center改為fine， Smoothing改為high。網(wǎng)格劃分完畢，如圖所示，模型總共包括491070個節(jié)點，293897個單元。

2.6 分析結(jié)果

車輪輪輞在極限載荷的作用在輪輻位置時的應(yīng)力分布情況，從應(yīng)力分布的結(jié)果上得到，在極限工況下最大應(yīng)力值出現(xiàn)的地方是輪轂螺栓與輪輻和輪輞連接部分的中間位置，最大應(yīng)力值為187.6Mpa，小于鋁合金7075的屈服強度，如圖2所示。最大應(yīng)變值為0.0026055mm，如圖3所示。

3 優(yōu)化設(shè)計與分析

Wonder6號車使用keizer輪輞，在一年的駕駛過程中，沒有出現(xiàn)任何的損壞，但是keizer輪輞自身重2.305kg，為了優(yōu)化設(shè)計keizer車輪，實現(xiàn)車輪輕量化設(shè)計，增加賽車的操縱穩(wěn)定性。首先，針對keizer車輪仿真分析，把分析結(jié)果作為優(yōu)化設(shè)計的車輪重要參考依據(jù)。因為wonder 6號車與wonder 7號車的整車布置形式基本相同，keizer車輪的結(jié)構(gòu)形式對優(yōu)化的車輪具有參考價值。將keizer車輪的模型導(dǎo)入Ansys仿真軟件中，施加極限工況下的載荷。

與分析結(jié)果比較可知，在相同工況下，keizer車輪的應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在輪輻上。從keizer車輪應(yīng)力云圖上得到，在極限工況下最大應(yīng)力值出現(xiàn)的地方是輪轂螺栓與輪輻和車輪連接部分的中間位置，最大應(yīng)力值為202.07Mpa，如圖4所示。最大應(yīng)變值為0.0031617mm/pa，如圖5所示。

本次實驗用自制設(shè)計的車輪優(yōu)化分析結(jié)果與keizer車輪分析比較，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力最大的位置都是位于輪轂螺栓與輪輻和輪輞連接部分的中間位置上，其中最大應(yīng)力值和最大應(yīng)變值相似?？梢耘袛嘧灾栖囕喸趯嶋H的工況下，滿足設(shè)計要求，達到與keizer車輪相同的實用價值，并且自制車輪比keizer車輪輕0.5kg，達到預(yù)期輕量化的設(shè)計目標。

分析結(jié)果表明：極限載荷工況下，靜力學(xué)分析的應(yīng)力分布情況位于輪轂螺栓與輪輻和輪輞連接部分的中間位置處。

在車輪的輪輻位置引起應(yīng)力集中現(xiàn)象。這與車輪在高速跑動，長時間運動下的車輪強度試驗的結(jié)果所物合。這說明ANSYS?Workbench是非常有效的有限元分析軟件。同時根據(jù)應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)其最大應(yīng)力小于鋁合金材料的許用應(yīng)力，車輪還存在進一步優(yōu)化的潛力，以減輕質(zhì)量，節(jié)省材料。有限元分析軟件ANSYS對鋁合金車輪進行強度計算，可使設(shè)計者在車輪開發(fā)出來之前就對車輪的應(yīng)力分布和應(yīng)變狀態(tài)有比較準確的了解，這將大大縮短車輪產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高設(shè)計效率。

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