基于HyperWorks的某輕卡輪輞總成結構優化設計

馬 波

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于HyperWorks的某輕卡輪輞總成結構優化設計

馬 波

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章針對輪輞總成開裂問題，通過Catia三維建模軟件進行建模，利用HyperWorks建立某輪輞總成有限元分析模型，對輪輞模型進行靜強度分析；通過有限元分析結果，對不同設計方案強度進行對比，找出最優方案，為設計員優化產品結構提供依據。

輪輞；HyperWorks；強度

CLC NO.:U463.342Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-12-03

引言

根據市場反饋，某輕卡輪輞市場開裂故障較多，主要故障模式為通風孔與螺栓孔連接處開裂（如圖1），初步分析為輪輞強度不足，需要對輪輞強度進行校核。對車輪總成強度校核，常規方法是依據GB/T5909 《商用車輛車輪性能要求和試驗方法》開展臺架性能試驗，該方法不能準確反映出輪輞的強度大小。本文通過三維建模采用 HyperWorks有限元分析軟件，模擬輪輞受力情況進行強度分析，依據分析結果選擇優化方案。

圖1 市場故障圖片

1、方案設計及三維模型建立

市場故障件開裂位置主要在通風孔位置，通過現場調查，現有產品通風孔處尺寸、材料及表面加工質量均滿足設計要求，初步分析為此處強度不足，故需要提升通風孔處強度。考慮行業輕量化要求，排除增加料厚的方案，以改變通風孔處結構提高強度為主要出發點，形成以下兩種方案：一是減小通風孔尺寸，二是將通風孔處截面結構由“C型”改為“S型”，改變通風孔受力方式，具體方案如下：

1.1 通風孔尺寸優化方案

縮小通風孔尺寸，可能會影響制動散熱功能，故參考某競品成熟車輪通風孔結構尺寸，將現有通風孔尺寸減小：

現有通風孔尺寸

新設計通風孔尺寸

1.2 截面結構優化方案

根據通風孔處受力分析，考慮將通風孔處截面結構由“C型”改為“S型”：

“C型”

“S型”

1.3 三維模型建立

方案一 方案二通風孔減小 通風孔減小+截面結構優化

2、HyperWorks有限元分析

2.1 CAE分析工況

依據GB/T5909 《商用車輛車輪性能要求和試驗方法》，應用hyperowrks模擬車輪總成動態彎曲疲勞試驗。結合車輪實際受力情況及臺架試驗方法（如圖2），確定CAE分析工況：

（1）將輪輞底部夾緊固定在一平面上；

（2）將輪輻與試驗機輸出軸（以下簡稱輸出軸）連接，安裝方式及尺寸應與車輛實際安裝形式一致（包括定位方式、與輪轂接觸面積等）；

圖2 試驗模型

（3）在一規定距離處（力臂）施加一平行于車輪安裝面的力（即90°加載法）。

（4）按下列公式確定彎矩 M（力×力臂）：M=(μ·R＋d)·Fv·S

式中，M—彎矩，單位為N·m。

μ—輪胎與路面間設定的摩擦系數,取0.7。

R—車輪或車輪制造商規定的該車輪配用的最大輪胎的靜態負荷半徑；

d—車輛的內偏距或外偏距；

Fv —車輛或車輪制造商規定的車輪額定負載值。在此選所用輪胎的最大單胎負荷，即（1500×9.8）N。S—強化試驗系數，取1.10。

計算的 M=(0.7×0.383+0.119)×1500×9.8×1.1=6259.4 N.m其中，可將（0.7×0.383+0.119）=0.3871m設為力臂長度，在catia中車輪中心線下側距輪輻平面0.3871m創建一個點，作為受力主點，將其用RBE2與6個通風孔的REB2中心點相連；

施加力：F=M/L=16170N，施加載荷方向沿螺栓孔方向。

（4）材料：輪輻實際材料為BG380CL，輪輞為12LW，分析時均設為一種材料，抗拉極限為380～480MPa。

（5）網格：采用三維網格，網格大小1.2。

2.2 hyperwoks有限元分析

2.2.1 導入IGS模型及網格劃分

將轉化好的IGS格式模型導入HyperMesh，并劃分3D網格，網格大小1.2。

圖3 3D網格劃分

2.2.2 附材料屬性

將B380CL材料屬性附加到三維數模中，具體信息如表1：

表1 材料參數

圖4 附材料屬性

2.3 創建約束

為了簡化分析模型并進可能模擬實際疲勞性能試驗情況，將6個螺栓孔用RBE2與載荷施加點進行剛性連接，同時將輪輞下邊緣進行全約束，充分模擬輪輞動態彎曲疲勞試驗工況。

圖5 螺栓孔及輪輞邊緣約束

2.4 施加載荷及應力分析

圖6 原方案應力分布圖

根據 2.1計算載荷 F值，在模型中進行添加，并運用Radioss求解器進行應力分析，得到三種模型通風孔處應力幅值，如表2所示。

表2 各模型通風孔處最大應力值對比

通過 CAE對比分析，兩種方案相比原方案強度均有提升，方案二通風孔處應力值最小，強度提升約20%，因此將現有結構按方案二進行優化提升。

3、總結

本文運用 HyperWorks有限元分析軟件，通過模擬動態疲勞試驗方法進行三維模型受力情況分析，根據不同方案分析結果，為設計人員提供依據，最終選擇方案二作為優化方案。與傳統方法手段相比較，HyperWorks有限元分析可以節約大量時間和試驗成本，可以作為輪輞總成強度校核的一種有效方法。

[1] 陳家瑞.《汽車構造》[Z].機械工業出版社,2008.

[2] 王鈺棟,Hypermesh&Hyperview《應用技巧與高級實例》[z].機械工業出版社,2012.

[3] GB/T5909-2009《商用車輛車輪性能要求和試驗方法》[S].

Structural optimization design of a light truck rim assembly based on HyperWorks

Ma Bo
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

The rim assembly cracking problem,modeling by Catia three-dimensional modeling software,using HyperWorks to establish a rim assembly model of finite element analysis, the static strength analysis of rim model, through the finite element analysis results,comparing the progress of different design schemes,to find out the optimal plan, provide the basis for the designer to optimize the product structure.

Rim; HyperWorks; Strength

U463.342

A

1671-7988 (2017)06-12-03

馬波，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.004