關(guān)于CAE技術(shù)在自卸車車輪輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張鴻剛 王莎莎

摘 要：傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的車輪質(zhì)量較重，且在螺栓孔和散熱風(fēng)孔處容易出現(xiàn)開裂。因此，通過對(duì)某8×4工程自卸車車輪輪輻散熱風(fēng)孔尺寸進(jìn)行優(yōu)化，利用HyperWorks有限元分析軟件，對(duì)優(yōu)化前后的輪輻進(jìn)行強(qiáng)度分析，優(yōu)化后輪輻在滿足強(qiáng)度要求的前提下，具有更輕的質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，達(dá)到降低整車整備質(zhì)量和整車油耗的目的。

關(guān)鍵詞：有限元分析;汽車輪輻;輕量化;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U272.6+4? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-75-03

Abstract： The wheels of traditional conceptual design are heavy in mass and prone to cracking in bolt holes and cooling air holes. So， optimize the size of the hot air hole of wheel of the engineering dumper through the calculation of the FE model. HyperWorks is used to analyze the strength of the spoke for before optimization and after the optimization， so as to have lighter mass on the premise of the requirement and achieve the target of the lightweight and reduction of fuel consumption.

Keywords： FE analysis; Automobile spokes; Lightweight; Optimized design

CLC NO.： U272.6+4? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-75-03

1 概述

車輪做為車輛的主要承載部件，對(duì)車輛的行駛安全和經(jīng)濟(jì)性有著重要影響。車輪包括橡膠輪胎和輪輞-輪輻兩大部分?；趥鹘y(tǒng)概念設(shè)計(jì)的車輪存在車輪質(zhì)量較重的缺點(diǎn)，會(huì)造成整車整備質(zhì)量和整車油耗上升，增加用戶車輛運(yùn)營成本。目前，車輪輪輻在螺栓孔和散熱風(fēng)孔附近容易出現(xiàn)開裂。為此，在保證輪輻滿足強(qiáng)度要求的前提下，通過對(duì)輪輻散熱風(fēng)孔尺寸優(yōu)化，降低車輪重量，減小整車簧下質(zhì)量，以達(dá)到降低整車整備質(zhì)量和整車油耗的目的，同時(shí)也可提升整車舒適性。因此，利用有限元分析法對(duì)現(xiàn)有車輪進(jìn)行輕量化降重設(shè)計(jì)。

2 車輪有限元模型及工況描述

2.1 有限元模型的建立

以某款8×4型工程自卸車為基礎(chǔ)，通過CATIA軟件對(duì)車輪進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)，利用HyperMesh作前處理，Opti -Struct、nCode進(jìn)行求解。基于三維實(shí)體模型，搭建輪輻-輪輞有限元模型。輪輞-輪輻有限元模型主要采用四邊形殼單元，平均尺寸5mm。

2.2 工況描述及應(yīng)力分布

車輪作為整車的承載部件，主要受到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的彎矩作用，根據(jù)GB/T 5909-2009《商用車輛車輪性能要求和試驗(yàn)方法》中幅板式車輪的強(qiáng)度試驗(yàn)要求，按公式確定彎矩：

式中：M為車輪彎矩，單位為N·m;μ為輪胎和路面間設(shè)定的摩擦系數(shù)，取η=0.7;R為車輛或車輪制造商規(guī)定的該車輪配用的最大輪胎的靜態(tài)負(fù)載半徑，取R= 0.5m;d為車輪的內(nèi)偏距或外偏距（內(nèi)偏距為正，外偏距為負(fù)），取d=0.172 m;Fv為車輛或車輪制造商規(guī)定的車輪額定負(fù)載值，取Fv= 121765 N;S為強(qiáng)化試驗(yàn)系數(shù)，取S=1.1。計(jì)算得M= 69893.11 N·m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)車輪進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析，靜態(tài)強(qiáng)度分析工況加載示意如圖1所示：

按照加載示意圖對(duì)車輪靜強(qiáng)度分析，車輪材料基本信息如下表：

a.車輪最小靜態(tài)安全因子和最大應(yīng)力分布如圖2所示：

b.車輪散熱風(fēng)孔最小靜態(tài)安全因子和最大應(yīng)力分布如圖3所示：

根據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果，車輪散熱風(fēng)孔應(yīng)力較小，存在優(yōu)化空間，可對(duì)散熱風(fēng)孔尺寸進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

3 車輪尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化方案制定

根據(jù)有限元仿真分析結(jié)果，結(jié)合車輪使用工況和車輪制造工藝，確定車輪改進(jìn)方案如下：對(duì)現(xiàn)有車輪散熱風(fēng)孔尺寸進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，將車輪散熱風(fēng)孔由35mm×60mm橢圓孔狀態(tài)優(yōu)化為40x53孔狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)降重優(yōu)化。車輪優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比見圖4。

3.2 優(yōu)化后應(yīng)力分布及試驗(yàn)驗(yàn)證

車輪優(yōu)化改進(jìn)后，按照前文2.2中有限元分析法對(duì)優(yōu)化后車輪和車輪散熱風(fēng)孔進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析，查看最小靜態(tài)安全因子和最大應(yīng)力分布結(jié)果如下。

（1）優(yōu)化后車輪最小靜態(tài)安全因子和最大應(yīng)力分布如圖5所示。

（2）優(yōu)化后車輪散熱風(fēng)孔最小靜態(tài)安全因子和最大應(yīng)力分布如圖6所示：

根據(jù)有限元仿真分析結(jié)果可知，優(yōu)化后車輪散熱風(fēng)孔最大應(yīng)力184 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度250 MPa，靜態(tài)安全因子大于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1，滿足強(qiáng)度要求。經(jīng)實(shí)際測(cè)量單只車輪在原有重量基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)降重5Kg，此款8×4型工程自卸車整車實(shí)現(xiàn)降重65Kg（車輪優(yōu)化前后數(shù)據(jù)見表2）。經(jīng)后期推廣應(yīng)用在整車實(shí)際試驗(yàn)及客戶使用過程中，優(yōu)化后車輪使用效果良好，車輪未出現(xiàn)變形、開裂等質(zhì)量問題，優(yōu)化后車輪滿足車輛使用要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)基于傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的車輪存在設(shè)計(jì)冗余和車輪質(zhì)量較重的缺點(diǎn)，利用有限元分析法對(duì)某款8×4型工程自卸車車輪進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后單只車輪降重5Kg，降幅達(dá)9.4%，優(yōu)化后的車輪通過有限元仿真分析和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，均滿足強(qiáng)度工況要求。通過此次有限元分析法對(duì)車輪

結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的成功應(yīng)用，反映出設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)大量利用有限元仿真分析手段，找出產(chǎn)品最佳設(shè)計(jì)方案，降低設(shè)計(jì)成本，縮減產(chǎn)品開發(fā)周期。

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