| 标题 | 汽车轮毂的有限元分析及其结构优化设计 |
| 范文 | 宋小艳 摘要：本文以斯柯达昕动1.6L汽车轮毂为原型，构建产品三维建模、有限元分析、产品结构优化设计为一体的虚拟设计开发平台。该平台可以解决轮毂系列产品开发中涉及到的结构、强度、寿命以及优化设计等问题；在零件生产之前就能够预测零件的应力分布、变形情况、疲劳寿命等，从而缩短产品研发周期、降低产品成本。 Abstract： This article takes Skoda 1.6L automobile hub as the prototype， constructs a virtual design platform which concludes building 3D modeling of product， finite element analysis and product structure optimization design. The platform can solve the problems of structure， strength， life and optimization design； The stress distribution， deformation， fatigue life of the parts can be predicted before the production of parts， so it can shorten the product development cycle and reduce the cost of products. 关键词：轮毂；有限元分析；SolidWorks Key words： automobile hub；finite element analysis；SolidWorks 中图分类号：U463.343 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）16-0123-02 1 汽车轮毂介绍 汽车轮毂的性能和使用寿命在一定程度上决定了汽车的安全性和可靠性。由于铝合金轮毂具有减震性能好、散热快、容易制造等优点，而且铝合金轮毂重量较轻，制作精度高，在高速转动时产生的变形小，惯性阻力小，有利于提高汽车的直线行驶性能，减小轮胎滚动阻力，从而减少了油耗，所以，目前市场上原厂车的合金轮毂以铝合金为主，都是由A356合金系合金生产的。 2 轮毂的材料选择及其设计参数 轮毂材料为A356（ZAlSi7MgA）合金材料，其化学成分与ZL101合金基本相同，是ZL101的改进型，其特点是具有良好的铸造性能，流动性高，无热裂倾向，气密性高，适合成形结构复杂的轮毂；同时又具有比较高的耐腐蚀性，经过热处理强化和合金淬火后有自然时效能力，因而具有较高的塑性和强度，满足轮毂高强度和刚度的性能要求，镁铝合金A356材料具体参数见表1。 本文以斯柯达昕动1.6L轿车原厂轮毂为设计基础，不修改主要参数，只对辐条的结构外形进行适当的修改，再对其进行有限元析。轮毂的主要参数，见表2所示，其外形结构如图1所示。 3 SolidWorks轮毂建模 轮毂的三维建模流程：利用SolidWorks绘制轮毂设计草图，首先绘制中心线，根据实际参数绘制草图断面，命令草图断面以中轴线旋转，绘制轮毂辐条部分，旋转断面形成轮毂外形，然后绘制轮毂的辐条轮廓，设计五根辐条，不仅可以减轻轮毂的重量，还可以起到扰流作用。接下来以轮毂中线为中心建立正五边形，其内切圆半径为50mm，确定安装孔位置。最后装配各零件部分，得到所需要的3D模型，如图2所示。 4 轮毂的有限元分析 4.1 轮毂的载荷计算 本文轮毂是针对斯柯达昕动1.6L车为设计基础，其相关资料见表3。 理论上平均每个轮毂所能承受的最大扭矩应不小于 T=155N·m×3.6×4.534×95%=2403.5N·m 根据实际情况：点刹时的扭矩大约为T×（1+6%）=2549.3N·m。 最大速度情况下的扭矩大约增加2.27倍左右，但该款车型是两轮驱动，所以最大扭矩应该为2500N·m。 4.2 有限元分析具体步骤图解 ①将SoildWorks软件建立好的轮毂模型导入ANSYS。 ②设定网格划分参数并进行网格划分，如图3所示，定义网格尺寸为15mm。 ③添加材料信息，按照表1数据，添加材料属性。 ④施加载荷以及约束条件，根据轮毂的受力情况对其施加扭矩，设定接触选项，在本文中接触选项已绑定，添加固定约束，如图4所示。 ⑤添加扭矩在轮毂辐条中心面上。 ⑥选择参考受力面，载荷类型为standard earth gravity，方向沿负Z轴方向，大小为15000N，见图5所示。 ⑦设定结果参数，即设定要求解的问题及物理量，如图6所示，对安全极限进行求解。 从安全极限分析图可以看出，该轮毂最危险部位是辐条部分，由其分析结论可知：最大安全极限为14，最小安全极限为1.62。由此可见，该轮辋在受力状态下产生的形变是比较大的，所以需要对轮毂的辐条进行优化，建议改变轮毂辐条的厚度及其边缘过渡方式，这样可以改变零件在受力状态下的分散应力，进而可以增加零件的强度及其安全系数；另外也可以增加骨架设计，从而增加零件强度。 5 结论 本文运用SolidWorks建立铝合金车轮的参数化模型，利用有限元分析软件ANSYS对铝合金车轮进行强度分析，找到车轮的最危险位置，计算结果与实际试验结果基本吻合，说明有限元分析是正确性，应力计算结果是可靠的。 参考文献： [1]赵树国，陈建华.汽车镁合金轮毂的优化设计[J].山东工业技术，2016，6. [2]王慧芳，龙思远，朱姝晴.铝合金轮毂的有限元分析及结构优化[J].特种铸造及有色合金，2015，1. [3]信义兵，高跃飞，刘海涛，李正伟.基于AnsysWorkbench某輪毂结构的优化设计[J].煤矿机械，2015，3. |
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