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重型汽车轮毂的有限元分析及优化设计

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：戚云昊

[导读] 摘要：目前，重型汽车轮毂主要用钢铁作为主要材料，而由于轻合金材料价格原因，重型轻合金轮毂材料使用很少。

        天津立中集团股份有限公司天津 300457
        摘要：目前，重型汽车轮毂主要用钢铁作为主要材料，而由于轻合金材料价格原因，重型轻合金轮毂材料使用很少。轮毂是汽车上重要的安全性能零部件之一，在行驶过程中承受各种负载和高速产生的高温作用。所以轮毂的结构设计好坏直接影响汽车在行驶过程中安全舒适性和操纵稳定性，本文主要以重型汽车轮毂为研究对象，对重型汽车轮毂的有限元分析及优化设计进行了探讨。
        关键词：重型汽车轮毂；有限元分析；优化设计
        一、重型汽车轮毂选材
        1.选择轻合金材料
        在汽车行业中镁合金材料也已经开始被人们开始关注，因为它具有许多优点：
        （1）重量较轻、耗油量少节省能源。由于其密度为1.74g/cm3相对钢重量来说，是钢轮重量的四分之一。（2）具有降低噪声和减缓震动作用。由于镁合金材料具有良好的阻尼系数，在行驶中有效的减震、降噪，给驾驶者一个平稳性，相对于铝合金和钢制材料驾驶时感觉更舒适。（3）精度高。由于镁合金材料具有良好的物理属性、化学属性以及尺寸稳定性，镁合金轮毂的制造精度高于钢轮，所以在高速行驶下可以保持很好地稳定性。（4）散热效果好。汽车在行驶时由于轮胎与地面接触摩擦会产生大量的热量，而镁合金材料的传热系数比钢制材料大近三倍，且制动片不易老化，所以行驶时镁合金轮毂相对来说散热较快，增加了安全系数。（5）外形美观。但是由于本文以重型汽车为研究对象，镁合金在塑造性差，后期制造加工困难和实验周期长，所以镁合金不易于作为重型汽车轮毂材料。
        而铝合金车轮早已在汽车上为主要的使用材料，今后铝合金车轮的应用也是必然趋势。无论是外形还是工业上，铝合金轮毂都象征整车档次，多变的车轮轮辐形态也为越来越多的人们所喜爱。
        2.选择钢制材料
        根据《中国汽车轮毂行业市场现状及投资前景预测报告》显示，从2016年起，我国钢制轮毂在车配套需求量将超过16000万件，虽然铝合金生产量大于钢制轮毂但用在商用车上钢制占三分之二具有明显优势。
        （1）易焊接，制造工艺简单。目前国内大部分采用埋弧焊对轮辐和轮辋装配进行焊接总成。而外国大多采用气体保护焊接技术，这样热输入量比国内要小。为了保证轮毂径向疲劳试验性能要求，原材料必须满足良好的成型和较低碳当量，在焊接时才能满足工艺。
        （2）端跳劲条小。端跳径跳对于轮毂来说一个非常重要的指标，理论上轮毂厂设计端跳劲跳指标为小于等于2.0mm，而实际控制水平应控制1.5mm以内。如果端跳径跳数值不达标，在高速行驶时轮毂会很容易变形而发生交通事故。圆度对轮毂有一定的影响，国内轮毂厂一般将圆度控制在1mm到1.2mm之间，从而保证端跳径跳指标。
        （3）耐疲劳性，刚度较强，冲击性能高，不易变形。对于钢制轮毂来说，强度和刚度都和高，但每个轮毂在出厂时需要一个硬性指标：就是对同一规格的轮毂要进行疲劳试验检测是否到达要求。轮辐和轮辋要进行弯曲疲劳试验和径向疲劳试验。
        （4）钢制轮毂制造成本底，价格很便宜。钢制轮毂相对轻合金来说，正好迎合了卡车厂家和用户的利益心里显示需求。
        （5）安全性良好。
        因此综上所述，对于重载汽车来说钢制材料轮毂是不二选择。
        二、ANSYS软件概述
        在1970年John Swanson正式创立ANSYS公司，到目前为止仍是世界的CAE最大的公司。

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在几十年的发展中，ANSYS功能不断被改进和提高，目前最新版本已发展到ANSYS14.0版。ANSYS软件是许多现代化必不可少的大型通用的有限元分析软件，其也被用于各行各业，成为了当今有限元技术的领跑者之一。ANSYS软件可以利用数据接口与CAD软件达成数据共享，而且ANSYS数据可以精确地在CAD系统下传入、传出几何数据。并通过矫正后可准确地对模型进行网格划分并求解，这样在创建模型中大大节省了时间，提高了工作效率。
        三、轮毂有限元模型建立
        本文选用的重型轮毂主要由轮辐、轮辋和弹性挡圈组成，最后用焊接成轮毂整体。轮毂参数如下：轮辋最小厚度为6mm，轮辐初始设为12mm，轮毂上有十个直径为26mm的螺纹孔，都在335mm直径的圆周上分布，轮辐结构是由5个楔形状的通风孔组成。ANSYS Workbench软件分析轮毂和ANSYS经典操作流程基本是一致的，都是要将数据前期处理、中期处理和后期处理。而在工程分析中会将建好的三维模型导入分析软件中，由于pro/e和分析软件的CAD接口问题就会导致在进行受力分析和疲劳分析时，会很容易出现错误，所以目前为了避免一些连接上不必要的问题，可以将pro/e和ANSYS Workbench进行无缝对接。
        首先在pro/e环境中根据CAD图建立轮毂实体模型，在建立三维模型时，为了简化模型将弹性挡圈和轮辋建成一体，因为大量试验证明轮毂发生疲劳一般不会再弹性挡圈上，不会影响计算结果。然后针对实体模型做出相应的调整如pro/e和ANSYS Workbench中的单位不一致需要改正，符合分析要求，最后将建立好的模型以prt.的格式保存起来。
        将轮毂的模型直接导入AWE界面中，这样就可以通过ANSYSWorkbench导入的数据建立轮毂的有限元模型。
        本文分别对钢制和铝合金作为材料分析，由于重型汽车轮毂在作业时承受非常大的外界应力。因此钢制轮毂选择材料时应选择16Mn，因为16Mn钢是低合金结构钢，它具有良好的力学性能、焊接性能、容易加工以及可切削性良好。而选择铝合金选材料则选择了A356（ZAI01A），因为它具有良好的流动性、气密性好、比重小、耐腐蚀、无热裂倾向、线收缩小以及易气焊等性能，经过淬火热处理后它具有较高的强度和塑性，因而能够满足重载性轮毂性能需求。
        四、轮毂的优化基本流程
        对轮毂建立基本流程，首先建立轮毂优化的几何模型，然后进行有限元分析如定义材料特性、边界加载和约束，最后进行计算分析；将得到的结果赋予参数，在优化处理器中设置设计变量、约束条件和优化目标，然后选取适当的优化方法；最后在软件中定义优化次数，进行分析，得到优化结果和图表。
        利用workbench中自带的Design Explorer的优化模块，主要采用一阶方法，它可以基于目标函数对设计变量的敏感度，适合于精确的轮毂优化。这种方法，可以随时进行分析、评估和修正等计算过程，这种计算过程可以循环重复直到设计要求满足为止。在迭代十五次后，得到优化后的所有参数值。
        优化后的交变应力小于材料屈服极限，满足需求。为了进一步查看优化后，轮毂是否满足性能需求，可以对优化后的轮毂进行模态和疲劳验证。
        结束语：
        本文主要针对重载轮毂在汽车工业轻量化发展趋势，分别选用铝合金和钢材作为材料，接着对轮毂进行结构设计，利用有限元软件对两种材料轮毂进行强度分析和寿命分析，通过workbench优化模块对重载轮毂进行结构优化设计。而实际过程中，轮毂不仅要选择材质还需要从工艺上如轮毂的铸造和锻造等来研究。本文仅考虑选材没有从工艺出发，轮毂实际应用开发需要大量的研究工作。而在选定轮毂轮辋结构时，只是单一进行参数设计，并没有列出多种不同的结构，也没有说明结构的构思方案，所以后期还有要做出大量的研究工作。
        参考文献：
        [1]邢志媛.基于有限元分析的铝合金轮毂结构设计及差压铸造研究[D].南京理工大学，2019.
        [2]韦辽，李健.铝合金轮毂轮辐轻量化分析[J].机械研究与应用，2018（12）.