有限元分析技術(shù)在汽車輪轂設(shè)計中的應用研究

盧振生 呂關(guān)想 王迎輝 史愛平 常家偉 趙宏雋

（綏化學院電氣工程學院，黑龍江 綏化152061）

汽車輪轂設(shè)計工作開展時，需綜合考量汽車輪轂的美觀性與可靠性，確保汽車輪轂達到國家行業(yè)設(shè)計標準。為提升汽車輪轂設(shè)計工作整體水平，可合理應用有限元分析技術(shù)，開展汽車輪轂仿真模型試驗，對汽車輪轂結(jié)構(gòu)、材料、強度等進行優(yōu)化，保證汽車輪轂設(shè)計工作的可靠性。鑒于我國汽車保有量的不斷攀升，汽車生產(chǎn)工藝不斷提升，為實現(xiàn)輕量化節(jié)能設(shè)計目標，需對汽車輪轂設(shè)計方式進行合理創(chuàng)新。

1 有限元分析在汽車工程領(lǐng)域的應用

結(jié)構(gòu)分析：應用有限元分析技術(shù)，可實現(xiàn)對復雜的汽車發(fā)動機零部件、汽車變速器殼體、車身和汽車輪轂的結(jié)構(gòu)進行校核與優(yōu)化，同時分析其相應的彎曲剛度、材料強度、扭轉(zhuǎn)剛度析等；碰撞安全分析：為保證汽車輪轂具有一定可靠性與安全性，可基于有限元技術(shù)開展汽車碰撞實驗，對行人保護系統(tǒng)、約束系統(tǒng)進行可靠性評估，判斷汽車輪轂的整體安全性與可靠性。

CFD 分析：該種分析工作，主要是對整車流場進行評估分析，評估發(fā)動機艙熱流場的實際變化規(guī)律，保證整體運行安全性與可靠性；NVH 分析：該項分析工作，主要對汽車的動態(tài)剛度與震動噪聲進行分析，基于有限元分析技術(shù)對汽車輪轂設(shè)計方案進行合理優(yōu)化，提高汽車運行的整體舒適度與安全性[1]。

2 有限元分析技術(shù)在汽車輪轂設(shè)計中的應用研究

2.1 汽車輪轂設(shè)計問題解析

通過對前人的汽車輪轂設(shè)計工作進行解析可知，汽車輪轂設(shè)計工作開展階段，輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計與造型設(shè)計獨立開展，如汽車企業(yè)依據(jù)汽車設(shè)計造型進行車輛輪轂造型設(shè)計，在汽車輪轂的設(shè)計造型通過審核后，建構(gòu)對應的三維模型，確保汽車輪轂造型與車身融為一體。而后依據(jù)審核通過的造型設(shè)計要求，開展后續(xù)的輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，由于輪轂造型設(shè)計的局限性，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計無法達到預期安全要求。

為保證汽車輪轂設(shè)計方案的可靠性，達到國家標準的要求，需對汽車輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行反復修改處理，不僅增加了汽車輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計工作量，同時升高了結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的風險性，使得汽車整體生產(chǎn)制造受到影響，不利于車企整體運營管理。為充分解決該問題，設(shè)計者可合理應用有限元分析技術(shù)，使得汽車輪轂造型設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計有機結(jié)合。基于有限元對三維模型建構(gòu)的求解分析，提高汽車輪轂的整體設(shè)計效率與質(zhì)量。

2.2 有限元分析技術(shù)應用優(yōu)勢探討

汽車輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計工作開展時，合理運用有限元分析技術(shù)，可提高汽車輪轂設(shè)計工作質(zhì)量與水平，如基于有限元技術(shù)進行汽車輪轂的二維造型設(shè)計，并對其設(shè)計二維造型方案進行嚴格審核，為后續(xù)有限元三維模型建構(gòu)鋪墊基礎(chǔ)，保證三維汽車輪轂模型建構(gòu)的可靠性與準確性如圖1 所示。若汽車輪轂的二維模型設(shè)計方案，未能達到預期設(shè)計高度，則需對設(shè)計方案進行重新優(yōu)化完善，以保證三維汽車輪轂模型，達到有限元設(shè)計預期目標。通過有限元設(shè)計技術(shù)應用，快速完成汽車輪轂預期設(shè)計目標，有效提高了汽車輪轂設(shè)計工作效率，縮短了汽車模型設(shè)計周期，對汽車開發(fā)生產(chǎn)成本進行控制。

圖1 輪轂三維造型

汽車輪轂進行有限元分析技術(shù)應用時，需對汽車輪轂設(shè)計模型進行仿真測試，網(wǎng)格劃分如圖2 所示，如進行汽車輪轂材料疲勞應力仿真試驗、沖擊載荷仿真試驗、彎曲應力仿真試驗等?；诜抡嬖囼灉y試，可對不同材料設(shè)計的車輛輪轂的承受區(qū)間進行力學性能測定結(jié)果如表1 所示，為后續(xù)車輛輪轂設(shè)計工作提供數(shù)據(jù)支持。通過有限元技術(shù)應用分析可知，在彎曲運行工況下，汽車直輻輪轂的運行力學性能更加優(yōu)秀；在沖擊運行工況下，汽車彎曲輪輻的設(shè)計力學性能表達更好。由此可見，很多車企進行汽車輪轂設(shè)計時，為保證汽車輪輻具有更好的受力性能，主要采取直輻條背面開槽的設(shè)計技術(shù)方案，進而實現(xiàn)預期汽車輪轂設(shè)計效果與目的[2]。

表1 鋼、鋁合金和鎂合金輪轂的剛度強度表

汽車輪轂設(shè)計優(yōu)化工作開展時，部分學者利用有限元分析技術(shù)，對汽車輪轂結(jié)構(gòu)強度進行探討，通過三維模型支持，對汽車輪轂厚度進行輕量化設(shè)計，進而合理發(fā)揮出有限元技術(shù)應用優(yōu)勢。部分學者基于參數(shù)優(yōu)化設(shè)計視域，對鍛造鋁合金汽車輪轂進行研究分析，以17 英寸汽車輪轂為設(shè)計目標，以PROE 系統(tǒng)建構(gòu)汽車車輪的幾何模型，并在汽車輪轂中導入ANSYS 相關(guān)數(shù)據(jù)信息，對其汽車輪轂進行強度設(shè)計與拓撲優(yōu)化設(shè)計，最終汽車輪轂的設(shè)計優(yōu)化后，輪轂整體質(zhì)量明顯得到提高、應力得到均衡分配，且輪轂最大應力小于對應的許用應力，優(yōu)化結(jié)果如圖3 所示，應力隨時間變化曲線如圖4 所示。

圖2 輪轂網(wǎng)格劃分

圖3 輪轂優(yōu)化后模型

圖4 應力隨時間變化曲線

部分學者基于有限元分析技術(shù)，對汽車輪轂進行結(jié)構(gòu)設(shè)計探討，建構(gòu)相關(guān)數(shù)學模型進行可行性分析評估。通過拓撲優(yōu)化與有限元設(shè)計技術(shù)結(jié)合，對汽車輪轂模型進行設(shè)計優(yōu)化，使得汽車輪轂設(shè)計優(yōu)化方案，達到汽車輪轂設(shè)計預期要求。如對16英寸汽車輪轂設(shè)計時，圍繞全封閉輪輻設(shè)計要求進行五輻車輪設(shè)計，基于有限元仿真分析，對其汽車車輪進行輕量化設(shè)計，保證汽車車輪設(shè)計方案，達到預期汽車設(shè)計要求，保證汽車運行整體安全性與可靠性。

2.3 有限元技術(shù)的設(shè)計應用論證

設(shè)計人員應用有限元分析技術(shù)，設(shè)計一款17 英寸的汽車輪轂，為充分發(fā)揮出有限元技術(shù)設(shè)計優(yōu)勢，利用Hypermesh 計算機系統(tǒng)，進行汽車輪轂三維模型的離散化處理。實際設(shè)計工作開展時，基于10 節(jié)點四面體進行模型網(wǎng)格劃分，確保網(wǎng)格的平均尺寸為10 毫米。汽車輪轂設(shè)計時，采用A635 特制鋁合金材料，該種材料的密度達到2.8×10-9t/mm3，而材料的設(shè)計彈性模量達到72000MPA，泊松比值為0.33。在對汽車輪轂的FEA 模型進行自由模態(tài)分析，則可準確提取出設(shè)計模型的輪轂固有頻率與振動規(guī)律。汽車輪轂作為汽車運行安全的基本保證，進行汽車輪轂設(shè)計時，應當主動規(guī)避汽車輪轂出現(xiàn)共振問題，以消除汽車外部產(chǎn)生的激勵頻率，激勵頻率包含汽車運行產(chǎn)生的路面振動頻率與汽車發(fā)動機振動頻率，通過有限元分析技術(shù)應用，則可保證汽車輪轂不出現(xiàn)相關(guān)振動問題?；谠囼炑芯靠芍?，當汽車行駛于路況較高的區(qū)域，行駛路面發(fā)出的激勵頻率小于3HZ，而汽車行駛的路況較差，此時行駛路面發(fā)出的激勵頻率小于11HZ。四缸直列發(fā)動機運行過程中，產(chǎn)生的激勵頻率處于200 HZ 以內(nèi)。為此，汽車輪轂設(shè)計時，需考量多種激勵頻率，利用有限元分析技術(shù)，保證汽車輪轂不會出現(xiàn)共振問題，保證汽車輪轂的設(shè)計壽命與安全[3]。

2.4 未來汽車輪轂設(shè)計的發(fā)展趨勢

輕量化汽車設(shè)計制造，可有效控制汽車生產(chǎn)的資源消耗，且保證汽車運行安全性。在輕量化設(shè)計工作開展時，汽車輪轂設(shè)計作為重點，有效設(shè)計汽車輪轂，可減輕汽車運行自重，可有效改變汽車的燃油經(jīng)濟性，整車重量減低10%，燃油效率可提高6%-8%，同時降低二氧化碳及碳氫化合物的排放量。基于有限元設(shè)計分析技術(shù)，對汽車輪轂進行設(shè)計優(yōu)化，使得簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)量的比值趨于均衡，可有效提高汽車運行燃油經(jīng)濟性與駕駛舒適度。由此可見，合理應用有限元設(shè)計技術(shù)對汽車輪轂進行設(shè)計優(yōu)化，可有效提高汽車運行安全性與經(jīng)濟性[4]?；诠こ淘O(shè)計視域分析可知，汽車輪轂設(shè)計時，主要進行拓撲優(yōu)化，實現(xiàn)工程預期設(shè)計結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮出相關(guān)材料的價值，提高材料的整體利用效率。部分研究學者進行材料結(jié)構(gòu)拓撲設(shè)計優(yōu)化時，模仿趙州橋進行材料強度驗證試驗，分析得出拓撲優(yōu)化工作的開展有效性。即汽車輪轂進行有限元設(shè)計時，可對其材料進行拓撲優(yōu)化處理，實現(xiàn)預期汽車輪轂設(shè)計目標。

結(jié)束語

本文基于有限元分析技術(shù)在汽車工程領(lǐng)域中的應用，著重闡述有限元分析技術(shù)在汽車輪轂設(shè)計中的實際應用。鑒于汽車輪轂設(shè)計工作重要性，圍繞有限元分析進行模型求解與分析，并開展針對性的仿真試驗，對設(shè)計方案進行可靠性論證，評估有限元分析技術(shù)的應用可行性。通過文中論述可知，有限元分析技術(shù)在輪轂設(shè)計中應用具有可操作性，未來汽車輪轂設(shè)計工作開展時，應當合理靈活運用有限元分析技術(shù)，推動我國汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。