重型汽車輪轂的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、如今在汽車工業(yè)發(fā)展中，汽車輕量化研究技術(shù)已經(jīng)成為重要課題之一，尤其在重型汽車行業(yè)中輕量化更是大勢所趨。隨著汽車生產(chǎn)量逐年增加，汽車的影響已經(jīng)給環(huán)境和能源帶來了嚴(yán)重的重?fù)?dān)。經(jīng)研究表明，整車質(zhì)量與耗油量有直接關(guān)系，近75％耗油量消耗在汽車重量上，且每降低10%汽車重量就會下降4%耗油量。可見耗油量、CO2排放量與汽車的重量三者存在一定關(guān)系，汽車的重量減輕耗能量和排污量就會隨著降低。而輪轂是汽車上重要的安全性能零部件之一，在行駛過程中承受各種

2、負(fù)載和高速產(chǎn)生的高溫作用。所以輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計好壞直接影響汽車在行駛過程中安全舒適性和操縱穩(wěn)定性，本文主要以重型汽車輪轂為研究對象。
　　目前，重型汽車輪轂主要用鋼鐵作為主要材料，而由于輕合金材料價格原因，重型輕合金輪轂材料使用很少。本文主要針對結(jié)構(gòu)設(shè)計相同的輪轂，分別選擇鋼制與鋁合金兩種材料進行有限元分析對比。首先利用所給定輪胎類型和輪輞的國家標(biāo)準(zhǔn)對輪轂進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用參數(shù)化對輪轂建模，參數(shù)化建模目的是為優(yōu)化設(shè)計提前做好準(zhǔn)備。再

3、利用ANSYS參數(shù)化功能，對優(yōu)化所需的變量設(shè)置為字母變量，同時對參數(shù)賦值完成輪轂?zāi)Ｐ驮O(shè)計。在對輪轂進行有限元分析前，對輪轂進行模態(tài)分析。
　　經(jīng)過模態(tài)分析可得只需要靜力分析即可滿足需求，因此本文只對輪轂進行靜力的彎曲疲勞試驗和徑向疲勞試驗的有限元分析。首先利用Pro/e軟件建立模型，然后通過ANSYS對輪轂進行徑向載荷和彎曲疲勞試驗分析。分別對兩種材料進行對比，觀察兩種材料輪轂的應(yīng)力分布規(guī)律。分析結(jié)果得到鋁合金材料達(dá)不到該型號輪轂

4、的性能要求，但應(yīng)力集中區(qū)域是相同的且彎曲疲勞是造成疲勞破壞的主要原因。
　　然后，對鋼制輪轂進行疲勞壽命分析。結(jié)合疲勞理論和疲勞壽命仿真，對輪轂進行了壽命預(yù)測。通過分析結(jié)果得到疲勞壽命曲線，與實際計算得到還有一定的壽命余量，為了提高輪轂的可靠性和使用壽命，本文對鋼制重載輪轂進行優(yōu)化設(shè)計。
　　輪轂的優(yōu)化一般包括形狀優(yōu)化和結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化。經(jīng)過對輪轂有限元計算和疲勞壽命計算結(jié)果分析得到有進一步優(yōu)化的空間，所以本文主要改變輪轂的結(jié)構(gòu)

5、尺寸達(dá)到優(yōu)化。先選擇輪輻厚度、輪輞厚度以及輪輞上輪緣半徑為優(yōu)化變量，輪轂重量為目標(biāo)函數(shù)。經(jīng)過分析計算，最終優(yōu)化得到輪轂的重量比原來重量降低了7.3%，且應(yīng)力分布更加均勻。為了進一步驗證優(yōu)化后的輪轂是否達(dá)到要求，對輪轂再次進行模態(tài)和疲勞分析，結(jié)果證明該設(shè)計型號的輪轂符合需求。
　　綜上所述，本文完成了對重型輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度分析、疲勞壽命分析和優(yōu)化設(shè)計研究工作，且分析結(jié)果滿足該型號輪轂的要求，同時輪轂結(jié)構(gòu)的輕量化使得自身重量變輕，使