有限元分析在新能源汽車輪轂輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

摘 要：在全球積極推進(jìn)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展的大背景下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。然而，續(xù)航里程焦慮嚴(yán)重阻礙了新能源汽車的廣泛普及。汽車輕量化設(shè)計(jì)成為提升續(xù)航的有效策略，輪轂作為汽車關(guān)鍵部件，其輕量化意義重大。傳統(tǒng)輪轂設(shè)計(jì)方法難以在保障強(qiáng)度、剛度等性能要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高效輕量化。研究旨在深入探究有限元分析在新能源汽車輪轂輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，有限元分析技術(shù)通過離散輪轂復(fù)雜結(jié)構(gòu)，構(gòu)建精確數(shù)學(xué)模型，可精準(zhǔn)模擬輪轂在各類工況下的力學(xué)行為，利用這一技術(shù)，設(shè)計(jì)人員能在虛擬環(huán)境中對(duì)輪轂結(jié)構(gòu)與材料進(jìn)行優(yōu)化，提前預(yù)估設(shè)計(jì)方案性能，大幅減少實(shí)物試驗(yàn)，有效縮短設(shè)計(jì)周期并降低研發(fā)成本。研究期望推動(dòng)新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新，為解決續(xù)航難題提供新的思路與方法，對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論與實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：有限元分析 新能源汽車 輪轂輕量化

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的重視程度不斷提升，新能源汽車產(chǎn)業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展的黃金時(shí)期。近年來，新能源汽車的市場(chǎng)份額持續(xù)擴(kuò)大，其技術(shù)創(chuàng)新也在不斷加速。然而，新能源汽車的續(xù)航里程焦慮仍是制約其進(jìn)一步普及的關(guān)鍵因素之一。在眾多提升續(xù)航的策略中，汽車輕量化設(shè)計(jì)被公認(rèn)為是極為有效的途徑，而輪轂作為汽車的關(guān)鍵部件，其輕量化設(shè)計(jì)意義重大。?

輪轂的輕量化不僅能夠降低整車質(zhì)量，從而減少行駛過程中的能量消耗，直接提升新能源汽車的續(xù)航里程，還能改善車輛的操控性能，提升駕駛安全性。在傳統(tǒng)的輪轂設(shè)計(jì)方法中，往往難以在保證輪轂強(qiáng)度和剛度等性能要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高效的輕量化目標(biāo)。?

有限元分析技術(shù)的興起，為新能源汽車輪轂的輕量化設(shè)計(jì)帶來了新的契機(jī)。它通過將復(fù)雜的輪轂結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元，構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)模型，能夠精準(zhǔn)模擬輪轂在各種工況下的力學(xué)行為。借助有限元分析，設(shè)計(jì)人員可以在虛擬環(huán)境中對(duì)輪轂的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化，提前預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方案的性能表現(xiàn)，避免大量的實(shí)物試驗(yàn)，顯著縮短設(shè)計(jì)周期、降低研發(fā)成本。因此，深入研究有限元分析在新能源汽車輪轂輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，具有重要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 有限元分析技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 基本原理

有限元分析基于變分原理和離散化思想，將復(fù)雜連續(xù)的輪轂結(jié)構(gòu)分割成有限個(gè)簡(jiǎn)單的單元，這些單元在節(jié)點(diǎn)處相互連接。針對(duì)每個(gè)單元，依據(jù)力學(xué)和數(shù)學(xué)理論建立相應(yīng)的方程描述其力學(xué)行為[1]。隨后，把所有單元的方程整合為一個(gè)大型方程組，通過求解該方程組，獲得整個(gè)輪轂結(jié)構(gòu)在特定載荷與邊界條件下的近似解。其核心在于用離散模型逼近連續(xù)體真實(shí)狀態(tài)，把復(fù)雜的求解問題轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的單元問題，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的有效分析。

1.2 分析步驟

在建模環(huán)節(jié)，運(yùn)用專業(yè)CAD軟件精確構(gòu)建輪轂三維幾何模型，依據(jù)輪轂的實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，精確創(chuàng)建其三維幾何模型。在建模過程中，需充分考慮輪轂的各個(gè)組成部分，包括輪輻的形狀、輪輞的輪廓以及它們之間的連接方式等。在網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)，依據(jù)輪轂形狀、尺寸及分析精度需求，選擇適宜的網(wǎng)格類型和劃分方式，將模型離散為眾多單元，單元質(zhì)量直接影響分析結(jié)果準(zhǔn)確性，隨后精準(zhǔn)定義輪轂材料屬性，包括彈性模量、泊松比等，同時(shí)明確模型邊界條件與所受載荷，如車輛行駛時(shí)輪轂承受的重力、驅(qū)動(dòng)力、制動(dòng)力等。完成上述設(shè)置后，利用有限元分析軟件求解方程組，對(duì)計(jì)算結(jié)果展開深入分析，查看輪轂應(yīng)力、應(yīng)變、位移等分布情況，評(píng)估性能是否達(dá)標(biāo)。

1.3 常用軟件介紹

在有限元分析領(lǐng)域，ANSYS功能全面，涵蓋結(jié)構(gòu)、流體、熱等多物理場(chǎng)分析，在輪轂分析中，其強(qiáng)大的后處理功能便于直觀呈現(xiàn)分析結(jié)果；Abaqus擅長(zhǎng)處理復(fù)雜非線性問題，對(duì)于涉及材料非線性、接觸非線性的輪轂研究具有顯著優(yōu)勢(shì)；Nastran則在航空航天等對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)分析要求極高的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在輪轂輕量化設(shè)計(jì)中，能精準(zhǔn)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和優(yōu)化分析。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)輪轂分析的具體需求，合理選用軟件，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

2 新能源汽車輪轂設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與輕量化需求

2.1 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

在結(jié)構(gòu)方面，新能源汽車輪轂多沿用傳統(tǒng)汽車輪轂的基本架構(gòu)，以輪輻連接輪輞和輪轂中心。但由于新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)特性，輪轂受力情況有別于傳統(tǒng)燃油車，部分車型在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)輪輻形狀和數(shù)量進(jìn)行了優(yōu)化，如采用更具流線型的輪輻，減少空氣阻力來提升車輛行駛效率。在材料選擇方面，鋁合金質(zhì)量輕、強(qiáng)度較高、耐腐蝕性好，所以是新能源汽車輪轂的主流材料。部分高端車型開始嘗試使用鎂合金，其密度更低，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化，但鎂合金加工難度大且成本高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料等新型材料也逐漸進(jìn)入輪轂設(shè)計(jì)視野，但目前因高昂成本和復(fù)雜制造工藝，僅在少量概念車或高性能車型上有所應(yīng)用[2]。從造型設(shè)計(jì)方面，為彰顯新能源汽車的科技感與獨(dú)特性，輪轂造型愈發(fā)多樣，有簡(jiǎn)潔流暢的封閉式造型，以降低風(fēng)阻；也有復(fù)雜多變的鏤空造型，兼顧美觀與散熱。

2.2 面臨問題

盡管新能源汽車輪轂設(shè)計(jì)取得一定進(jìn)展，仍存在諸多問題。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法依賴經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試驗(yàn)，難以精準(zhǔn)把握輪轂在復(fù)雜工況下的力學(xué)性能，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高?，F(xiàn)有輪轂在輕量化與性能平衡上不夠理想，過度追求輕量化可能犧牲強(qiáng)度和剛度，影響行車安全；過于注重性能則無法有效減輕重量，不利于提升續(xù)航。同時(shí)，新型材料應(yīng)用面臨技術(shù)瓶頸，如復(fù)合材料的成型工藝復(fù)雜，質(zhì)量控制難度大。

2.3 輕量化需求

新能源汽車?yán)m(xù)航里程受電池能量密度和整車質(zhì)量制約，輕量化是提升續(xù)航的關(guān)鍵。輪轂作為簧下質(zhì)量的重要組成部分，其輕量化效果對(duì)車輛操控性和續(xù)航里程影響顯著。減輕輪轂重量，可降低車輛行駛時(shí)的滾動(dòng)阻力，減少能量消耗，增加續(xù)航里程。同時(shí)，輕量化輪轂?zāi)芴嵘囕v加速性能和制動(dòng)響應(yīng)速度，改善操控穩(wěn)定性，增強(qiáng)駕駛安全性[3]。此外，隨著新能源汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，實(shí)現(xiàn)輪轂輕量化有助于降低整車成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，滿足消費(fèi)者對(duì)高性能、低能耗汽車的需求，推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

3 有限元分析在新能源汽車輪轂輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程

3.1 構(gòu)建精準(zhǔn)輪轂?zāi)Ｐ?/p>

運(yùn)用專業(yè)三維建模軟件，如CATIA、SolidWorks等，嚴(yán)格依照新能源汽車輪轂的實(shí)際尺寸、形狀及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建精確的三維幾何模型。模型需完整呈現(xiàn)輪轂的輪輞、輪輻、中心安裝孔等各個(gè)部位，確保幾何信息準(zhǔn)確無誤。確定輪轂所用材料的關(guān)鍵特性參數(shù)，像鋁合金材料的彈性模量、泊松比，以及材料的密度等，這些參數(shù)直接影響后續(xù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[4]。根據(jù)輪轂在汽車行駛過程中的實(shí)際工況，明確邊界條件與所承受的載荷。例如，輪轂與車軸裝配處的約束條件，以及車輛行駛時(shí)，輪轂所承受的來自路面的垂直力、車輛加速或制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力與制動(dòng)力、轉(zhuǎn)彎時(shí)的側(cè)向力等。

3.2 合理進(jìn)行網(wǎng)格劃分與參數(shù)設(shè)定

完成輪轂幾何模型搭建后，需依據(jù)輪轂結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度以及預(yù)期的分析精度，合理選擇網(wǎng)格劃分方法。對(duì)于形狀較為規(guī)則的輪轂部分，可采用六面體網(wǎng)格劃分，因其計(jì)算精度較高；而對(duì)于形狀復(fù)雜區(qū)域，四面體網(wǎng)格則更為適用。在應(yīng)力集中區(qū)域，如輪輻與輪輞的過渡部位，要適當(dāng)加密網(wǎng)格，以更精準(zhǔn)地捕捉應(yīng)力變化；在受力相對(duì)均勻的區(qū)域，可適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以控制單元數(shù)量，提高計(jì)算效率。選擇合適的求解器類型，常見的有直接求解器和迭代求解器，不同求解器在處理不同規(guī)模和類型的矩陣方程時(shí)各有優(yōu)勢(shì)。根據(jù)分析需求，確定分析類型，如靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析或疲勞分析等，并設(shè)定相應(yīng)的求解參數(shù)，包括收斂準(zhǔn)則、迭代次數(shù)等，為后續(xù)仿真計(jì)算做好充分準(zhǔn)備。

3.3 全面開展仿真分析與結(jié)果評(píng)估

利用成熟的有限元分析軟件，如ANSYS、Abaqus等，對(duì)已劃分好網(wǎng)格并完成參數(shù)設(shè)定的輪轂?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行求解運(yùn)算。靜力學(xué)分析用于獲取輪轂在靜態(tài)載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變及位移分布情況，以此判斷輪轂的強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求，查看是否存在應(yīng)力集中區(qū)域，若最大應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力，則需對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。動(dòng)力學(xué)分析可模擬輪轂在動(dòng)態(tài)工況下的振動(dòng)特性，分析是否存在共振現(xiàn)象，因?yàn)楣舱窨赡軐?dǎo)致輪轂過早損壞，影響車輛行駛安全。疲勞分析則通過對(duì)輪轂在循環(huán)載荷下的壽命預(yù)測(cè)，檢驗(yàn)其耐久性，評(píng)估輪轂在長(zhǎng)期使用過程中的可靠性。分析完成后，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行全面、細(xì)致評(píng)估，對(duì)比各項(xiàng)性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)目標(biāo)，判斷輪轂設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)。

3.4 基于結(jié)果優(yōu)化輕量化設(shè)計(jì)

依據(jù)仿真分析結(jié)果，若輪轂的性能未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，或存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間，可運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)。該技術(shù)能根據(jù)輪轂所受載荷情況，去除受力較小區(qū)域的材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，從而在不影響關(guān)鍵性能的前提下減輕重量。也可采用尺寸優(yōu)化方法，對(duì)輪輻的厚度、寬度，輪輞的直徑、壁厚等尺寸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過多次迭代計(jì)算，尋找最優(yōu)的尺寸組合，實(shí)現(xiàn)輕量化與性能之間的良好平衡。完成優(yōu)化后，需再次進(jìn)行有限元分析，對(duì)比優(yōu)化前后輪轂的性能指標(biāo)和重量，驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，直至滿足設(shè)計(jì)要求。通過這樣循環(huán)迭代的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程，最終實(shí)現(xiàn)新能源汽車輪轂的輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，提升輪轂性能與新能源汽車的整體性能。

4 應(yīng)用有限元分析面臨的挑戰(zhàn)與解決方案

4.1 模型精度與計(jì)算效率的平衡難題

構(gòu)建高精度的輪轂有限元模型，往往需要精細(xì)的網(wǎng)格劃分與復(fù)雜的模型設(shè)置。在輪轂的應(yīng)力集中區(qū)域，如輪輻與輪輞的連接處，為準(zhǔn)確捕捉應(yīng)力變化，需采用極小尺寸的單元進(jìn)行網(wǎng)格加密。然而，過多的單元數(shù)量會(huì)使計(jì)算量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，大幅延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間，降低計(jì)算效率。例如，在對(duì)某復(fù)雜造型輪轂進(jìn)行分析時(shí)，若采用精細(xì)網(wǎng)格，單元數(shù)量可能達(dá)到數(shù)百萬甚至更多，普通計(jì)算機(jī)可能需要數(shù)天時(shí)間才能完成一次求解。

為解決這一問題，可采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。該技術(shù)能根據(jù)分析過程中模型各區(qū)域的誤差分布，自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格疏密程度。在初始分析時(shí)，先采用較粗網(wǎng)格快速計(jì)算，確定應(yīng)力變化較大區(qū)域后，再對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，重新計(jì)算，如此既能保證關(guān)鍵部位的計(jì)算精度，又可有效控制整體計(jì)算量。此外，選用高效求解器也是提升計(jì)算效率的重要手段。不同求解器在處理大規(guī)模矩陣方程時(shí)性能各異，像迭代求解器在處理大型稀疏矩陣問題時(shí)，相較于直接求解器，能顯著減少計(jì)算時(shí)間與內(nèi)存消耗，適用于復(fù)雜輪轂?zāi)Ｐ偷姆治觥?/p>

4.2 材料特性與本構(gòu)關(guān)系的準(zhǔn)確描述困境

新能源汽車輪轂為實(shí)現(xiàn)輕量化，常采用鋁合金、鎂合金及碳纖維復(fù)合材料等新型材料。這些材料的特性復(fù)雜，其本構(gòu)關(guān)系難以準(zhǔn)確確定。例如，碳纖維復(fù)合材料是各向異性材料，其力學(xué)性能在不同方向差異顯著，且材料內(nèi)部還存在纖維與基體間的相互作用，使得準(zhǔn)確描述其在復(fù)雜載荷下的力學(xué)行為頗具難度。同時(shí)，材料特性參數(shù)受加工工藝、環(huán)境溫度濕度等因素影響，實(shí)際應(yīng)用中獲取精確材料參數(shù)的過程繁瑣且成本高昂。

對(duì)此，可通過大量材料試驗(yàn)獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。針對(duì)不同類型材料，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的力學(xué)性能測(cè)試，如拉伸、壓縮、彎曲試驗(yàn)等，建立材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)[5]。結(jié)合微觀力學(xué)分析方法，從材料微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，深入研究材料內(nèi)部的力學(xué)行為，進(jìn)而建立更準(zhǔn)確的本構(gòu)模型。此外，參考國(guó)內(nèi)外權(quán)威研究機(jī)構(gòu)發(fā)布的材料數(shù)據(jù)與本構(gòu)模型，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)修正，也能提高材料特性描述的準(zhǔn)確性。

4.3 多物理場(chǎng)耦合問題的處理挑戰(zhàn)

輪轂在實(shí)際工作中，涉及多種物理場(chǎng)的相互作用。車輛高速行駛時(shí)，輪轂與空氣摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，引發(fā)熱－結(jié)構(gòu)耦合問題，溫度變化會(huì)影響輪轂材料的力學(xué)性能，進(jìn)而改變其應(yīng)力應(yīng)變分布。同時(shí)，車輪滾動(dòng)過程中，輪胎與路面接觸產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷，又涉及流－固耦合問題。這些多物理場(chǎng)耦合現(xiàn)象增加了有限元分析的復(fù)雜性。

為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，可采用多物理場(chǎng)分析軟件，如COMSOL Multiphysics，其具備強(qiáng)大的多物理場(chǎng)耦合分析功能，能方便地建立耦合模型，考慮不同物理場(chǎng)間的相互影響。在數(shù)值算法方面，采用順序耦合算法或直接耦合算法。順序耦合算法先獨(dú)立求解各物理場(chǎng)，再將一個(gè)物理場(chǎng)的結(jié)果作為另一個(gè)物理場(chǎng)的輸入，逐步迭代計(jì)算；直接耦合算法則將所有物理場(chǎng)的控制方程聯(lián)立求解，能更準(zhǔn)確反映多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)，但計(jì)算難度較大。根據(jù)輪轂實(shí)際工作情況與分析精度要求，合理選擇算法，可有效處理多物理場(chǎng)耦合問題。

5 結(jié)論

研究通過深入探討新能源汽車輪轂設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與輕量化需求，詳細(xì)剖析了有限元分析技術(shù)在輪轂輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程。從構(gòu)建精準(zhǔn)的輪轂?zāi)Ｐ?、合理進(jìn)行網(wǎng)格劃分與參數(shù)設(shè)定，到全面開展仿真分析并基于結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)，每個(gè)環(huán)節(jié)都充分發(fā)揮了有限元分析的優(yōu)勢(shì)。通過分析有限元分析應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)，包括模型精度與計(jì)算效率的平衡、材料特性與本構(gòu)關(guān)系的準(zhǔn)確描述、多物理場(chǎng)耦合問題的處理等問題，提出了諸如采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)與高效求解器、通過材料試驗(yàn)結(jié)合微觀力學(xué)分析建立本構(gòu)模型、運(yùn)用多物理場(chǎng)分析軟件及合適算法等策略，有助于推動(dòng)新能源汽車輪轂輕量化設(shè)計(jì)的發(fā)展，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了理論支撐，具有重要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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