汽車鎂合金輪轂的優化設計

趙樹國,陳建華（邯鄲職業技術學院,河北 邯鄲 056001）

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汽車鎂合金輪轂的優化設計

趙樹國,陳建華
（邯鄲職業技術學院,河北 邯鄲 056001）

摘 要：隨著鎂合金輪轂的研究，鎂合金輪轂得到了應用。輪轂斷裂是鎂合金輪轂出現的一種故障，本文通過采用proe軟件進行鎂合金輪轂建模，采用ANSYS軟件進行了有限元分析并進行了優化，優化后的模型總體積和最大應力都有所下降，改進后的鎂合金輪轂沒有出現斷裂現象，證實了分析的有效性。

關鍵詞：鎂合金；輪轂；優化

隨著汽車工業的發展，汽車的輕量化設計受到了各國的高度重視。作為汽車運行的承載部件輪轂的輕量化是減輕汽車自重的一個有效途徑，而輪轂的性能對汽車的行駛安全也起到了至關重要的作用。鎂合金由于密度低、比強度高、較高的抗沖擊性和減震性而被譽為“綠色工程結構材料”，若采用鎂合金作為汽車的輪轂，對減少汽車的重量有著重要的意義。隨著鎂合金輪轂的應用，鎂合金輪轂也出現了一些故障缺陷，本文以市場上常見的一種鎂合金輪轂作為基礎進行分析其出現斷裂的原因，根據受應力情況，對原車輪轂進行優化設計。為進行提高效率，本文采用PRO/E軟件進行建模，采用ANSYS軟件進行受力分析并做優化。

1 采用PRO/E建立模型

在PRO/E軟件界面下進行旋轉、切除等一些列操作后。可得到汽車輪轂的模型，建立的模型如圖1所示。將建立的模型導入到ANSYS軟件以便做進一步的分析。

2 模型的有限元分析

2.1 汽車輪轂的受力分析

圖1 汽車輪轂模型

2.2 設置材料及網格的劃分

鎂合金的輪轂材料選用的是AZ91鎂合金。AZ91鎂合金是良好的鑄造鎂合金的一種，AL的含量較高，達到了8.3～9.7%。設置時，密度為1.82kg/m3,彈性模量為45GPa，泊松比為0.35，屈服強度為160MPa,抗拉強度為230MPa。在輪轂實體模型網格劃分中，采用Solid186單元，這種單元常用作處理不規則體網格的劃分，在有限元計算中不會影響到精度。

2.3 有限元運算及分析

圖2 輪轂應力圖

對輪轂進行運算分析，運算結果如圖2所示。從圖中可以看出該結構鎂合金輪轂最大等效應力出現在輪輻靠近輪轂中心處，這也與實際發生斷裂位置相吻合。

3 優化設計

為了減少最大應力，在優化設計時以輪轂的總體積為優化目標函數，狀態變量選取等效應力，設置狀態變量最大值為120MPa，設計變量為輪輻的厚度控制點和輪輞的厚度。優化方法采用一階方法。這是一種常用的優化方法，優化原理是所有的變量接近原則，即第n+1次的迭代算法中的重質量函數與前一次的運算結果相比較，如果小于前一次的結果，就認為結果收斂，停止運算；如果第n+1次的迭代算法中的重質量函數與前一次的運算結果相比較大于上一次的結果，也認為結果收斂 ，停止運算。

從運行過程中以看出，應力從12.4PMa以下不斷變大，直到接近120PMa。最大應力為116.04MPa,對應的目標函數為3360cm3,結果是最優的。優化后的輪轂受力如下圖3所示。

4 結論

（1）優化后的鎂合金輪轂最大應力減小了，從原來的做大應力138MPa,降到了116MPa,下降了16%；

（2）優化后的輪轂比原來的輪轂體積減小了，降低了30%；

（3）改進后的輪轂沒有出現斷裂的現象。

圖3 優化后的模型受力

參考文獻：

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.049

作者簡介：趙樹國（1978-），男，河北邯鄲人，碩士研究生，教師，研究方向：汽車安全技術及維修。