有限元分析技術在汽車輪轂設計中的應用研究

李明 朱寶

摘要：現(xiàn)在產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度越來越快，如何快速設計出既美觀又滿足功能安全需要的丁%11，產(chǎn)品成為現(xiàn)階段的主要方向。文章通過對比傳統(tǒng)輪轂設計流程與運用有限元分析技術輔助的設計流程，分析應用有限元方法進行設計的優(yōu)勢，并通過設計實踐來檢驗設計的合理性。再進一步分析輪轂設計的未來趨勢及有限元分析技術在其中起到的作用，使得設計流程更加更加科學高效。

關鍵詞：汽車輪載設計;設計流程;有限元分析;發(fā)展趨勢

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）03-0154-02

現(xiàn)在人們的生活水平越來越高，對產(chǎn)品的要求也隨之提升，如何快速設計出既美觀又滿足功能需求的產(chǎn)品是工業(yè)設計的研究方向。在工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)過程中有很多客觀的硬性要求在約束著產(chǎn)品的造型設計，比如，材料限制、加工工藝的限制和產(chǎn)品安全可靠性的限制。以汽車輪轂為例，在設計輪轂時不僅僅要考慮輪輻的造型美觀，還要考驗輪轂整體結構的可靠性，只有滿足國家標準GB/T5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》才能面向市場銷售。所以，在設計過程中引入有限元分析技術，對設計出的數(shù)據(jù)進行有限元仿真搭建不同的試驗工況進行分析，可以實現(xiàn)輪轂設計與可靠性分析同時進行，在設計的過程中對輪轂結構進行實時的優(yōu)化大大提高設計的效率。

1 有限元分析及其技術應用領域

有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）是運用數(shù)學近似的方法對物理結構和載荷工況進行模擬。利用簡單的單元（Element）之間的相互作用和關系來仿真物理結構的實際工作中的狀態(tài)，就可以將無限數(shù)量的未知量轉化為有限未知量的求得近似解。

有限元分析的基本步驟通常為，如圖1。（1）幾何數(shù)據(jù)的前處理。對需要仿真分析的幾何結構數(shù)據(jù)進行幾何清理，將幾何特征進行適當?shù)暮喕澐殖珊线m的網(wǎng)格，根據(jù)不同的幾何結構可以選擇不同的單元類型進行仿真，單元類型可以分為殼單元（Shells）、實體單元（Solids）、梁單元（Beams）。給處理好的網(wǎng)格定義材料屬性，并根據(jù)真實的試驗情況施加約束、載荷和工況（盡可能的接近實際試驗狀態(tài)）;（2）數(shù)據(jù)分析。選用合適的數(shù)值求解器（不同的求解器對網(wǎng)格劃分的要求不同）對處理好的網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行求解計算;（3）計算結果后處理。根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)幾何結構的可靠性進行評估，并對風險項進行優(yōu)化設計;（4）再次驗證。對優(yōu)化后的FEA模型再次數(shù)據(jù)分析，驗證優(yōu)化后的設計方案是否規(guī)避了風險并且合理可靠。

有限元技術可以應用在工業(yè)生產(chǎn)過程中，比如工業(yè)產(chǎn)品零部件的強度分析，分析各部件在使用工況下是否滿足材料的強度極限，提前發(fā)現(xiàn)風險點并進行優(yōu)化改良，使得產(chǎn)品更加安全可靠。現(xiàn)在，各大汽車制造企業(yè)都成立了自己的CAE分析部門。有限元分析技術已經(jīng)成為汽車研發(fā)制造過程中不可或缺的一部分。有限元技術可以在乘用車研發(fā)過程中主要有以下幾個方向的應用：（1）結構分析，如白車身彎曲剛度分析、扭轉剛度分析、安裝點強度分析;（2）CFD分析，如整車流場分析，發(fā)動機艙熱流場分析;（3）NV日分析，如動剛度分析、震動噪聲分析等;（4）碰撞安全分析，如乘用車碰撞模擬實驗、約束系統(tǒng)匹配分析、行人保護分析。其中，輪轂作為汽車的重要承載部部件，其結構的可靠性極其重要。

2 傳統(tǒng)設計方法與有限元分析設計方法的對比分析

2.1 傳統(tǒng)輪轂設計方法流程及其存在的問題

在傳統(tǒng)汽車輪轂設計過程中造型設計和結構設計是分開進行的。汽車制造商先根據(jù)汽車的造型設計出輪轂造型（主要是輪輻的造型），當造型通過評審后再進行簡單的三維設計，此時的三維結構是以美觀和與車身的統(tǒng)一為前提。然后再把評審通過的三維模型交給供應商進行試制，傳統(tǒng)的輪轂設計流程如圖2（a）所示。因此，在樣件制作的過程中可能會出現(xiàn)由于造型設計不合理而產(chǎn)生的結構風險，導致造型反復修改，浪費材料浪費時間。

2.2 有限元分析技術在汽車輪轂設計中的優(yōu)勢

將有限元分析加入到輪轂研發(fā)設計的過程中，首先開始輪轂的二維造型設計，把審核通過的設計方案進行三維模型搭建，接著用有限元分析輪轂的三維模型，驗證設計方案是否滿足功能和安全的需要，如果不滿足可以繼續(xù)優(yōu)化設計直到得到最佳的設計方案。這樣設計出的輪轂既滿足造型設計要求又符合結構設計要求，大大提高了工作效率，縮減了產(chǎn)品的開發(fā)周期和開發(fā)成本。有限元分析指導造型設計的一般流程如圖2（匕）所示。

在汽車輪轂研發(fā)過程中需要進行的仿真分析主要有：13°沖擊試驗仿真、彎曲疲勞試驗仿真、徑向載荷疲勞試驗仿真。閆勝昝等人驗證了不同形狀輪輻的輪轂承受不同工況載荷的力學性能的優(yōu)缺點：在彎曲工況下直輻條車輪的力學性能更加優(yōu)秀;在沖擊工況下彎曲輻條的輪轂力學性能表現(xiàn)更好;為使輪輻截面受力更加合理并且減輕質量，可以采用在直輻條背面開槽的方法0

在汽車輪轂的結構優(yōu)化方面，齊鐵力等人使用有限元的方法分析了汽車輪轂的結構強度，然后以輪轂厚度為變量進行了輕量化設計[2]。曲文君等人通過參數(shù)化設計方法對低壓鑄造鋁合金車輪進行了研究和分析，以16寸車輪為例，使用Pro E建立了車輪的幾何模型，并導入到ANSYS中進行強度分析與優(yōu)化設計。結果表明，優(yōu)化后質量明顯降低，應力分布均勻合理，且最大應力小于其材料對應的許用應力[3]。崔勝民等人使用有限元的方法對車輪輪輻進行結構設計，在驗證其可行的同時建立了優(yōu)化數(shù)學模型。并結合優(yōu)化設計方法與有限元分析方法對某輻板式車輪進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化后的模型質量降低且性能要求滿足[4]。王一瀏通過對16英寸全封閉輪輻進行拓撲優(yōu)化并設計出一款五輻車輪，再將其改為組裝式車輪進行有限元仿真分析和輕量化設計，最終設計出滿足安全需求而且減重14.4%的組裝式輪[5]。

3 基于有限元分析技術的汽車輪載設計設計實踐及其未來趨勢

3.1 設計實踐

運用有限元的方法設計一款17英寸的SUV輪轂，輪轂形態(tài)結構如圖3（a）所示。用Hypermesh對輪轂三維模型進行離散化處理，如圖3怕）所示，用10節(jié)點四面體單元來劃分網(wǎng)格，設置平均尺寸為10mm。材料使用A365鋁合金材料，密度RHO=2.8*10^-9t/mm³，彈性模量E=72000MPa，泊松比NU=0.33。對輪轂的FEA模型進行自由模態(tài)分析，提取7-10階固有頻率及振型，如圖4所示。為了避免共振輪轂的振動頻率要避開汽車的外部激勵頻率，外部激勵頻率包括路面的激勵頻率和發(fā)動機振動頻率。在路況較好的路面行駛路面激勵頻率小于3Hz，在凹凸不平的路面行駛路面激勵頻率小于11Hz，一般情況下四缸發(fā)動機在最高轉速下的振動頻率為200Hz，這次設計的輪轂第7階的固有頻率為273Hz，滿足設計要求。

3.2 未來汽車輪轂設計的趨勢

由于化石能源的不可再生性，節(jié)約能源成為未來汽車發(fā)展的趨勢。新能源汽車的研發(fā)，混合動力汽車和輕量化的車身設計都能有效的減少能源的消耗。輕量化設計正逐漸運用到汽車設計當中，在保證汽車結構安全性的前提下，盡量減輕整車質量能提高燃油經(jīng)濟性。輪轂作為汽車簧下質量的一部分，減輕輪轂質量可以減小簧下質量。簧上質量與簧下質量的比值越大汽車的操控性和行駛中的舒適度越好。所以輪轂的輕量化設計既能提高汽車的操控性能和乘坐舒適度又能提升燃油經(jīng)濟性。輪轂的輕量化設計已經(jīng)是現(xiàn)階段設計的主要方向。在工程生產(chǎn)領域拓撲優(yōu)化主要研究如何設計出簡潔合理的工程結構并合理分配材料，使用最少的材料來實現(xiàn)性能需。隋允康等人運用拓撲優(yōu)化的方法來模擬趙州橋的結構，拓撲結構與原橋結構非常相似（如圖5所示），從拓撲優(yōu)化的角度驗證了趙州橋的力學合理性[6]。可見拓撲優(yōu)化分析可以使設計出的結構的力學性能更加合理，而且更節(jié)省材料。所以，在保證輪轂使用性能的前提下，減小輪轂的質量可以通過有限元拓撲優(yōu)化分析來實現(xiàn)。

4 結語

將有限元分析引入到汽車輪轂設計中是一種高效且科學的方法。有限元分析指導下的造型設計既能滿足消費者對輪轂美觀的需求，又能縮短一款輪轂的設計周期。同時，在有限元技術的輔助下設計師可以設計出重量更輕便、造型更美觀輪轂產(chǎn)品。

參考文獻

[1]閆勝昝，童水光，鐘翠霞，等.基FEA的車輪結構形狀優(yōu)化設計[J].機械設計， 2009，26（1）：53-55.

[2]齊鐵力，王立輝，李海硼，等，等.汽車車輪的強度分析及優(yōu)化設計[J].河北工業(yè)大學學報，2002，5：95-98.

[3]曲文君.基于ANSYS的低壓鑄造鋁合金輪轂的優(yōu)化設計[J].制造業(yè)自動化，2009，9：062.

[4]崔勝民，楊占春.基于有限元分析的汽車車輪結構優(yōu)化設計[J].機械設計，2008（9）.

[5]王一瀏.車輪至構-材料一體化輕量化多目標優(yōu)化研究[D].長春：吉林大學碩士論文，2016.

[6]隋允康，葉紅玲，杜家政.結構拓撲優(yōu)化的發(fā)展及其模型轉化為獨立層次的迫切性[A].工程力學，2005.