有限元分析技术在汽车轮毂设计中的应用研究

材料限制、加工工艺的限制和产品安全可靠性的限制。以汽车轮毂为例，在设计轮毂时不仅仅要考虑轮辐的造型美观，还要考验轮毂整体结构的可靠性，只有满足国家标准GB/T5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》才能面向市场销售。所以，在设计过程中引入有限元分析技术，对设计出的数据进行有限元仿真搭建不同的试验工况进行分析，可以实现轮毂设计与可靠性分析同时进行，在设计的过程中对轮毂结构进行实时的优化大大提高设计的效率。

1 有限元分析及其技术应用领域

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是运用数学近似的方法对物理结构和载荷工况进行模拟。利用简单的单元（Element）之间的相互作用和关系来仿真物理结构的实际工作中的状态，就可以将无限数量的未知量转化为有限未知量的求得近似解。

有限元分析的基本步骤通常为，如图1。（1）几何数据的前处理。对需要仿真分析的几何结构数据进行几何清理，将几何特征进行适当的简化并划分成合适的网格，根据不同的几何结构可以选择不同的单元类型进行仿真，单元类型可以分为壳单元（Shells）、实体单元（Solids）、梁单元（Beams）。给处理好的网格定义材料属性，并根据真实的试验情况施加约束、载荷和工况（尽可能的接近实际试验状态）;（2）数据分析。选用合适的数值求解器（不同的求解器对网格划分的要求不同）对处理好的网格数据进行求解计算;（3）计算结果后处理。根据处理后的数据几何结构的可靠性进行评估，并对风险项进行优化设计;（4）再次验证。对优化后的FEA模型再次数据分析，验证优化后的设计方案是否规避了风险并且合理可靠。

有限元技术可以应用在工业生产过程中，比如工业产品零部件的强度分析，分析各部件在使用工况下是否满足材料的强度极限，提前发现风险点并进行优化改良，使得产品更加安全可靠。现在，各大汽车制造企业都成立了自己的CAE分析部门。有限元分析技术已经成为汽车研发制造过程中不可或缺的一部分。有限元技术可以在乘用车研发过程中主要有以下几个方向的应用：（1）结构分析，如白车身弯曲刚度分析、扭转刚度分析、安装点强度分析;（2）CFD分析，如整车流场分析，发动机舱热流场分析;（3）NV日分析，如动刚度分析、震动噪声分析等;（4）碰撞安全分析，如乘用车碰撞模拟实验、约束系统匹配分析、行人保护分析。其中，轮毂作为汽车的重要承载部部件，其结构的可靠性极其重要。

2 传统设计方法与有限元分析设计方法的对比分析

2.1 传统轮毂设计方法流程及其存在的问题

在传统汽车轮毂设计过程中造型设计和结构设计是分开进行的。汽车制造商先根据汽车的造型设计出轮毂造型（主要是轮辐的造型），当造型通过评审后再进行简单的三维设计，此时的三维结构是以美观和与车身的统一为前提。然后再把评审通过的三维模型交给供应商进行试制，传统的轮毂设计流程如图2（a）所示。因此，在样件制作的过程中可能会出现由于造型设计不合理而产生的结构风险，导致造型反复修改，浪费材料浪费时间。

2.2 有限元分析技术在汽车轮毂设计中的优势

将有限元分析加入到轮毂研发设计的过程中，首先开始轮毂的二维造型设计，把审核通过的设计方案进行三维模型搭建，接着用有限元分析轮毂的三维模型，验证设计方案是否满足功能和安全的需要，如果不满足可以继续优化设计直到得到最佳的设计方案。这样设计出的輪毂既满足造型设计要求又符合结构设计要求，大大提高了工作效率，缩减了产品的开发周期和开发成本。有限元分析指导造型设计的一般流程如图2（匕）所示。

在汽车轮毂研发过程中需要进行的仿真分析主要有：13°冲击试验仿真、弯曲疲劳试验仿真、径向载荷疲劳试验仿真。闫胜昝等人验证了不同形状轮辐的轮毂承受不同工况载荷的力学性能的优缺点：在弯曲工况下直辐条车轮的力学性能更加优秀;在冲击工况下弯曲辐条的轮毂力学性能表现更好;为使轮辐截面受力更加合理并且减轻质量，可以采用在直辐条背面开槽的方法0

在汽车轮毂的结构优化方面，齐铁力等人使用有限元的方法分析了汽车轮毂的结构强度，然后以轮毂厚度为变量进行了轻量化设计[2]。曲文君等人通过参数化设计方法对低压铸造铝合金车轮进行了研究和分析，以16寸车轮为例，使用Pro E建立了车轮的几何模型，并导入到ANSYS中进行强度分析与优化设计。结果表明，优化后质量明显降低，应力分布均匀合理，且最大应力小于其材料对应的许用应力[3]。崔胜民等人使用有限元的方法对车轮轮辐进行结构设计，在验证其可行的同时建立了优化数学模型。并结合优化设计方法与有限元分析方法对某辐板式车轮进行了优化设计，优化后的模型质量降低且性能要求满足[4]。王一浏通过对16英寸全封闭轮辐进行拓扑优化并设计出一款五辐车轮，再将其改为组装式车轮进行有限元仿真分析和轻量化设计，最终设计出满足安全需求而且减重14.4%的组装式轮[5]。

3 基于有限元分析技术的汽车轮载设计设计实践及其未来趋势

3.1 设计实践

运用有限元的方法设计一款17英寸的SUV轮毂，轮毂形态结构如图3（a）所示。用Hypermesh对轮毂三维模型进行离散化处理，如图3怕）所示，用10节点四面体单元来划分网格，设置平均尺寸为10mm。材料使用A365铝合金材料，密度RHO=2.8*10^-9t/mm³，弹性模量E=72000MPa，泊松比NU=0.33。对轮毂的FEA模型进行自由模态分析，提取7-10阶固有频率及振型，如图4所示。为了避免共振轮毂的振动频率要避开汽车的外部激励频率，外部激励频率包括路面的激励频率和发动机振动频率。在路况较好的路面行驶路面激励频率小于3Hz，在凹凸不平的路面行驶路面激励频率小于11Hz，一般情况下四缸发动机在最高转速下的振动频率为200Hz，这次设计的轮毂第7阶的固有频率为273Hz，满足设计要求。

3.2 未来汽车轮毂设计的趋势

由于化石能源的不可再生性，节约能源成为未来汽车发展的趋势。新能源汽车的研发，混合动力汽车和轻量化的车身设计都能有效的减少能源的消耗。轻量化设计正逐渐运用到汽车设计当中，在保证汽车结构安全性的前提下，尽量减轻整车质量能提高燃油经济性。轮毂作为汽车簧下质量的一部分，减轻轮毂质量可以减小簧下质量。簧上质量与簧下质量的比值越大汽车的操控性和行驶中的舒适度越好。所以轮毂的轻量化设计既能提高汽车的操控性能和乘坐舒适度又能提升燃油经济性。轮毂的轻量化设计已经是现阶段设计的主要方向。在工程生产领域拓扑优化主要研究如何设计出简洁合理的工程结构并合理分配材料，使用最少的材料来实现性能需。隋允康等人运用拓扑优化的方法来模拟赵州桥的结构，拓扑结构与原桥结构非常相似（如图5所示），从拓扑优化的角度验证了赵州桥的力学合理性[6]。可见拓扑优化分析可以使设计出的结构的力学性能更加合理，而且更节省材料。所以，在保证轮毂使用性能的前提下，减小轮毂的质量可以通过有限元拓扑优化分析来实现。

4 结语

将有限元分析引入到汽车轮毂设计中是一种高效且科学的方法。有限元分析指导下的造型设计既能满足消费者对轮毂美观的需求，又能缩短一款轮毂的设计周期。同时，在有限元技术的辅助下设计师可以设计出重量更轻便、造型更美观轮毂产品。

参考文献

[1]閆胜昝，童水光，钟翠霞，等.基FEA的车轮结构形状优化设计[J].机械设计， 2009，26（1）：53-55.

[2]齐铁力，王立辉，李海硼，等，等.汽车车轮的强度分析及优化设计[J].河北工业大学学报，2002，5：95-98.

[3]曲文君.基于ANSYS的低压铸造铝合金轮毂的优化设计[J].制造业自动化，2009，9：062.

[4]崔胜民，杨占春.基于有限元分析的汽车车轮结构优化设计[J].机械设计，2008（9）.

[5]王一浏.车轮至构-材料一体化轻量化多目标优化研究[D].长春：吉林大学硕士论文，2016.

[6]隋允康，叶红玲，杜家政.结构拓扑优化的发展及其模型转化为独立层次的迫切性[A].工程力学，2005.

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