有限元分析技術(shù)在汽車輪轂設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(lái)越快，如何快速設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)比傳統(tǒng)輪轂設(shè)計(jì)流程與運(yùn)用有限元分析技術(shù)輔助的設(shè)計(jì)流程，分析應(yīng)用有限元方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。再進(jìn)一步分析輪轂設(shè)計(jì)的未來(lái)趨勢(shì)及有限元分析技術(shù)在其中起到的作用，使得設(shè)計(jì)流程更加更加科學(xué)高效。

關(guān)鍵詞：汽車輪載設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)流程;有限元分析;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）03-0154-02

現(xiàn)在人們的生活水平越來(lái)越高，對(duì)產(chǎn)品的要求也隨之提升，如何快速設(shè)計(jì)出既美觀又滿足功能需求的產(chǎn)品是工業(yè)設(shè)計(jì)的研究方向。在工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中有很多客觀的硬性要求在約束著產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)輪轂時(shí)不僅僅要考慮輪輻的造型美觀，還要考驗(yàn)輪轂整體結(jié)構(gòu)的可靠性，只有滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗(yàn)方法》才能面向市場(chǎng)銷售。所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中引入有限元分析技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元仿真搭建不同的試驗(yàn)工況進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)輪轂設(shè)計(jì)與可靠性分析同時(shí)進(jìn)行，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中對(duì)輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的優(yōu)化大大提高設(shè)計(jì)的效率。

1 有限元分析及其技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）是運(yùn)用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)物理結(jié)構(gòu)和載荷工況進(jìn)行模擬。利用簡(jiǎn)單的單元（Element）之間的相互作用和關(guān)系來(lái)仿真物理結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作中的狀態(tài)，就可以將無(wú)限數(shù)量的未知量轉(zhuǎn)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(duì)需要仿真分析的幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何清理，將幾何特征進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化并劃分成合適的網(wǎng)格，根據(jù)不同的幾何結(jié)構(gòu)可以選擇不同的單元類型進(jìn)行仿真，單元類型可以分為殼單元（Shells）、實(shí)體單元（Solids）、梁?jiǎn)卧˙eams）。給處理好的網(wǎng)格定義材料屬性，并根據(jù)真實(shí)的試驗(yàn)情況施加約束、載荷和工況（盡可能的接近實(shí)際試驗(yàn)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(duì)網(wǎng)格劃分的要求不同）對(duì)處理好的網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行求解計(jì)算;（3）計(jì)算結(jié)果后處理。根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)幾何結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);（4）再次驗(yàn)證。對(duì)優(yōu)化后的FEA模型再次數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案是否規(guī)避了風(fēng)險(xiǎn)并且合理可靠。

有限元技術(shù)可以應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，比如工業(yè)產(chǎn)品零部件的強(qiáng)度分析，分析各部件在使用工況下是否滿足材料的強(qiáng)度極限，提前發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)并進(jìn)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(mén)。有限元分析技術(shù)已經(jīng)成為汽車研發(fā)制造過(guò)程中不可或缺的一部分。有限元技術(shù)可以在乘用車研發(fā)過(guò)程中主要有以下幾個(gè)方向的應(yīng)用：（1）結(jié)構(gòu)分析，如白車身彎曲剛度分析、扭轉(zhuǎn)剛度分析、安裝點(diǎn)強(qiáng)度分析;（2）CFD分析，如整車流場(chǎng)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱流場(chǎng)分析;（3）NV日分析，如動(dòng)剛度分析、震動(dòng)噪聲分析等;（4）碰撞安全分析，如乘用車碰撞模擬實(shí)驗(yàn)、約束系統(tǒng)匹配分析、行人保護(hù)分析。其中，輪轂作為汽車的重要承載部部件，其結(jié)構(gòu)的可靠性極其重要。

2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與有限元分析設(shè)計(jì)方法的對(duì)比分析

2.1 傳統(tǒng)輪轂設(shè)計(jì)方法流程及其存在的問(wèn)題

在傳統(tǒng)汽車輪轂設(shè)計(jì)過(guò)程中造型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是分開(kāi)進(jìn)行的。汽車制造商先根據(jù)汽車的造型設(shè)計(jì)出輪轂造型（主要是輪輻的造型），當(dāng)造型通過(guò)評(píng)審后再進(jìn)行簡(jiǎn)單的三維設(shè)計(jì)，此時(shí)的三維結(jié)構(gòu)是以美觀和與車身的統(tǒng)一為前提。然后再把評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)的三維模型交給供應(yīng)商進(jìn)行試制，傳統(tǒng)的輪轂設(shè)計(jì)流程如圖2（a）所示。因此，在樣件制作的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)由于造型設(shè)計(jì)不合理而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致造型反復(fù)修改，浪費(fèi)材料浪費(fèi)時(shí)間。

2.2 有限元分析技術(shù)在汽車輪轂設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

將有限元分析加入到輪轂研發(fā)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先開(kāi)始輪轂的二維造型設(shè)計(jì)，把審核通過(guò)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行三維模型搭建，接著用有限元分析輪轂的三維模型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)直到得到最佳的設(shè)計(jì)方案。這樣設(shè)計(jì)出的輪轂既滿足造型設(shè)計(jì)要求又符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，大大提高了工作效率，縮減了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)成本。有限元分析指導(dǎo)造型設(shè)計(jì)的一般流程如圖2（匕）所示。

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

在汽車輪轂的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度，然后以輪轂厚度為變量進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)[2]。曲文君等人通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法對(duì)低壓鑄造鋁合金車輪進(jìn)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(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，優(yōu)化后質(zhì)量明顯降低，應(yīng)力分布均勻合理，且最大應(yīng)力小于其材料對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力[3]。崔勝民等人使用有限元的方法對(duì)車輪輪輻進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在驗(yàn)證其可行的同時(shí)建立了優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。并結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與有限元分析方法對(duì)某輻板式車輪進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的模型質(zhì)量降低且性能要求滿足[4]。王一瀏通過(guò)對(duì)16英寸全封閉輪輻進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化并設(shè)計(jì)出一款五輻車輪，再將其改為組裝式車輪進(jìn)行有限元仿真分析和輕量化設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)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(shù)的汽車輪載設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)踐及其未來(lái)趨勢(shì)

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)踐

運(yùn)用有限元的方法設(shè)計(jì)一款17英寸的SUV輪轂，輪轂形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。用Hypermesh對(duì)輪轂三維模型進(jìn)行離散化處理，如圖3怕）所示，用10節(jié)點(diǎn)四面體單元來(lái)劃分網(wǎng)格，設(shè)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(duì)輪轂的FEA模型進(jìn)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(dòng)頻率要避開(kāi)汽車的外部激勵(lì)頻率，外部激勵(lì)頻率包括路面的激勵(lì)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率。在路況較好的路面行駛路面激勵(lì)頻率小于3Hz，在凹凸不平的路面行駛路面激勵(lì)頻率小于11Hz，一般情況下四缸發(fā)動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)頻率為200Hz，這次設(shè)計(jì)的輪轂第7階的固有頻率為273Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 未來(lái)汽車輪轂設(shè)計(jì)的趨勢(shì)

由于化石能源的不可再生性，節(jié)約能源成為未來(lái)汽車發(fā)展的趨勢(shì)。新能源汽車的研發(fā)，混合動(dòng)力汽車和輕量化的車身設(shè)計(jì)都能有效的減少能源的消耗。輕量化設(shè)計(jì)正逐漸運(yùn)用到汽車設(shè)計(jì)當(dāng)中，在保證汽車結(jié)構(gòu)安全性的前提下，盡量減輕整車質(zhì)量能提高燃油經(jīng)濟(jì)性。輪轂作為汽車簧下質(zhì)量的一部分，減輕輪轂質(zhì)量可以減小簧下質(zhì)量。簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)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(shè)計(jì)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(jì)性。輪轂的輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)是現(xiàn)階段設(shè)計(jì)的主要方向。在工程生產(chǎn)領(lǐng)域拓?fù)鋬?yōu)化主要研究如何設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)潔合理的工程結(jié)構(gòu)并合理分配材料，使用最少的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)性能需。隋允康等人運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化的方法來(lái)模擬趙州橋的結(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與原橋結(jié)構(gòu)非常相似（如圖5所示），從拓?fù)鋬?yōu)化的角度驗(yàn)證了趙州橋的力學(xué)合理性[6]。可見(jiàn)拓?fù)鋬?yōu)化分析可以使設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(zhì)量可以通過(guò)有限元拓?fù)鋬?yōu)化分析來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

將有限元分析引入到汽車輪轂設(shè)計(jì)中是一種高效且科學(xué)的方法。有限元分析指導(dǎo)下的造型設(shè)計(jì)既能滿足消費(fèi)者對(duì)輪轂美觀的需求，又能縮短一款輪轂的設(shè)計(jì)周期。同時(shí)，在有限元技術(shù)的輔助下設(shè)計(jì)師可以設(shè)計(jì)出重量更輕便、造型更美觀輪轂產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

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