汽車鎂合金輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙樹國,陳建華（邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 邯鄲 056001）

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汽車鎂合金輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙樹國,陳建華
（邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)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(yīng)用。輪轂斷裂是鎂合金輪轂出現(xiàn)的一種故障，本文通過采用proe軟件進(jìn)行鎂合金輪轂建模，采用ANSYS軟件進(jìn)行了有限元分析并進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的模型總體積和最大應(yīng)力都有所下降，改進(jìn)后的鎂合金輪轂沒有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，證實(shí)了分析的有效性。

關(guān)鍵詞：鎂合金；輪轂；優(yōu)化

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的輕量化設(shè)計(jì)受到了各國的高度重視。作為汽車運(yùn)行的承載部件輪轂的輕量化是減輕汽車自重的一個(gè)有效途徑，而輪轂的性能對(duì)汽車的行駛安全也起到了至關(guān)重要的作用。鎂合金由于密度低、比強(qiáng)度高、較高的抗沖擊性和減震性而被譽(yù)為“綠色工程結(jié)構(gòu)材料”，若采用鎂合金作為汽車的輪轂，對(duì)減少汽車的重量有著重要的意義。隨著鎂合金輪轂的應(yīng)用，鎂合金輪轂也出現(xiàn)了一些故障缺陷，本文以市場(chǎng)上常見的一種鎂合金輪轂作為基礎(chǔ)進(jìn)行分析其出現(xiàn)斷裂的原因，根據(jù)受應(yīng)力情況，對(duì)原車輪轂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為進(jìn)行提高效率，本文采用PRO/E軟件進(jìn)行建模，采用ANSYS軟件進(jìn)行受力分析并做優(yōu)化。

1 采用PRO/E建立模型

在PRO/E軟件界面下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、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(dǎo)入到ANSYS軟件以便做進(jìn)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?zāi)Ｐ?/p>

2.2 設(shè)置材料及網(wǎng)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(dá)到了8.3～9.7%。設(shè)置時(shí)，密度為1.82kg/m3,彈性模量為45GPa，泊松比為0.35，屈服強(qiáng)度為160MPa,抗拉強(qiáng)度為230MPa。在輪轂實(shí)體模型網(wǎng)格劃分中，采用Solid186單元，這種單元常用作處理不規(guī)則體網(wǎng)格的劃分，在有限元計(jì)算中不會(huì)影響到精度。

2.3 有限元運(yùn)算及分析

圖2 輪轂應(yīng)力圖

對(duì)輪轂進(jìn)行運(yùn)算分析，運(yùn)算結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出該結(jié)構(gòu)鎂合金輪轂最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在輪輻靠近輪轂中心處，這也與實(shí)際發(fā)生斷裂位置相吻合。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了減少最大應(yīng)力，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)以輪轂的總體積為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，狀態(tài)變量選取等效應(yīng)力，設(shè)置狀態(tài)變量最大值為120MPa，設(shè)計(jì)變量為輪輻的厚度控制點(diǎn)和輪輞的厚度。優(yōu)化方法采用一階方法。這是一種常用的優(yōu)化方法，優(yōu)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(zhì)量函數(shù)與前一次的運(yùn)算結(jié)果相比較，如果小于前一次的結(jié)果，就認(rèn)為結(jié)果收斂，停止運(yùn)算；如果第n+1次的迭代算法中的重質(zhì)量函數(shù)與前一次的運(yùn)算結(jié)果相比較大于上一次的結(jié)果，也認(rèn)為結(jié)果收斂 ，停止運(yùn)算。

從運(yùn)行過程中以看出，應(yīng)力從12.4PMa以下不斷變大，直到接近120PMa。最大應(yīng)力為116.04MPa,對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)為3360cm3,結(jié)果是最優(yōu)的。優(yōu)化后的輪轂受力如下圖3所示。

4 結(jié)論

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

（2）優(yōu)化后的輪轂比原來的輪轂體積減小了，降低了30%；

（3）改進(jìn)后的輪轂沒有出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

圖3 優(yōu)化后的模型受力

參考文獻(xiàn)：

［1］邢秋林,王巖.有限元分析技術(shù)在鋁合金車輪設(shè)計(jì)開發(fā)中的應(yīng)用［f］.設(shè)計(jì)研究,2006,25（11）：34-37.

［2］吳立鴻.鎂合金在輪毅上應(yīng)用的材料替代研究［D］.重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005：29-30.

［3］王達(dá)健.低密度汽車鎂材料［J］.中國有色金屬學(xué)報(bào),1997, 7（01）：390-393.

［4］劉楚明,鄭梁,土松濤等.高強(qiáng)變形鎂合金研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)廠［J］.宇航材料工藝,2012（01）：8-12.

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

作者簡(jiǎn)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(shù)及維修。