基于ANSYS的FSEC賽車后輪轂優化設計*

梁紹臻，陽林，陳德升，利仁濱，駱文星

?

基于ANSYS的FSEC賽車后輪轂優化設計*

梁紹臻，陽林，陳德升，利仁濱，駱文星

（廣東工業大學機電工程學院，廣東 廣州 510006）

FSEC賽車后輪轂承受復雜的交變載荷，結構的合理關系到賽車和車手的安全。文章通過ANSYS軟件對后輪轂在幾個不同的賽道工況進行有限元分析，發現原設計存在應力集中等問題。基于分析得出的輪轂的等效應力云圖、等效應變圖及總變形云圖，對原設計進行結構優化。優化后的設計實現了更合理的應力分布，輪轂質量降低了超過15%，并且滿足賽車輕量化要求。

FSEC賽車；輪轂；優化設計

前言

旨在推動中國大學生賽車文化發展，中國大學生方程式汽車大賽規則委員會參考了國際相關賽事的規則，發布了2019年的比賽規則[1]。盡管動態測試項目規則基本沒變，但組委會對于通用部分與電車部分的規則作出了不小的改動。方程式賽車需要在動態測試項目中頻繁切換加速、制動、轉向等工況，車輪承受著復雜的交變載荷，為此車輪系統需要有足夠的強度應對各類惡劣的工況。賽車后輪轂承擔賽車的重量，與半軸配合，連接懸架與輪胎，是車輪總成中不可或缺的部分。分析各種在動態項目中可能遇到的工況，為提升賽車性能提供依據。為了在動態測試項目獲得更好的成績，本文基于ANSYS的有限元分析，分析賽車后輪轂在動態項目中可能遇到的各種工況，驗證輪轂的強度、變形量，并根據結果進行后輪轂的結構優化。

1 FSEC賽車輪轂設計思路

FSEC大賽是大學生組建車隊制造純電動方程式賽車，并完成相應的靜態和動態測試。FSEC賽車動態項目包括直線加速、8字繞環、高速避障、耐久及效率測試，賽車在動態項目中遇到工況可分為以下5種：轉向工況、加速工況、制動工況、轉向制動工況和轉向加速工況。其中，轉向工況產生側向力及因載荷轉移引起載荷變化，制動、加速工況是加速度和慣性引起載荷變化，轉向制動工況和轉向加速工況是以上三者的復合工況。為提高動態項目的成績，所制造的FSEC賽車需具備克服各種頻繁切換高速工況的能力。賽車在轉向工況中由于荷載的轉移而更容易產生的疲勞破壞，本文將重點分析轉向制動、轉向加速等工況。輪轂與輪輞、制動盤、軸承等多個零部件相配合，并承受復雜的交變載荷[2]。相對于前輪轂，賽車后輪轂受力情況更為復雜，起著傳遞賽車動力的作用，設計出滿足強度要求的輪轂才能保證賽車、車手的安全，因此本文選定賽車后輪轂作為研究對象。為方便賽車快速安裝與拆卸，本后輪轂設計將會使用集成化輪轂結構[3]。

2 FSEC賽車后輪轂靜力分析

2.1 建立有限元模型

根據選用的輪轂軸承的尺寸，以及與制動盤的配合關系等，設計出后輪轂的基本造型，并在CATIA軟件完成三維建模。進行有限元分析之前，對原三維模型進行簡化處理，去除螺紋、倒角等特征，以提高軟件運算的效率。模型以stp的格式導入ANSYS，在Designed Modeler模塊中對模型進行圓面合并、切割的預處理，以便于載荷施加和網格劃分，同時分割出軸承安裝面，如圖1所示。

材料選用7075-T6鋁合金，楊氏模量E=72GPa，泊松比=0.33，抗拉強度=540MPa，屈服強度=455MPa。

圖1 后輪轂初步模型

2.2 劃分網格

由于后輪轂結構形狀相對規則，通過Design Modeler中Slice操作切分規則圓柱體等，采用Workbench的multizone多區域掃掠型劃分網格，生成規則的六面體網格[4]。分析結構應力分布情況，針對銷軸孔、制動盤安裝位置不斷細化網格，最終確定網格設置。整體網格尺寸1.0mm，關閉高級尺寸功能，Relevance等級為50，Relevance Cente等級為Fine，Smoothing等級為High，Transition等級為Fast，Span Angle center等級為Coarse。在應力集中的銷孔等關鍵部位，采用Sizing中的Face sizing 細化網格，Elememt sizing為0.5mm，其余設置默認不變。生成網格質量比較均勻，網格平均畸變度為0.18，在細化網格的過程中不存在應力不收斂的情況，可認為該網格設置較為合理，整體網格模型如圖2所示。

圖2 后輪轂網格劃分結果

2.3 設置邊界條件

如圖3所示，在行駛中，后輪轂會在球籠孔與球籠接觸面受到扭矩，安裝軸承面受到兩個載荷，四個銷軸孔受到一個向上的力；轉彎時，輪轂與輪輞貼合面還會受到軸向力；制動時，制動盤安裝圓弧面受制動力矩。

圖3 后輪邊三維裝配示意圖

根據整車參數及加速度分析結果，可計算出上面上述幾種賽車工況后輪轂所受的支持力、側向力、摩擦力，利用理論力學的知識可以求出力矩，進而算的輪轂軸肩所受徑向力，由此確定最終的邊界條件。此處省略相應邊界條件的計算過程，并僅以轉向加速過程為例作簡要介紹，其他工況的計算類似。算得轉向加速過程需要施加的載荷Bearing load：

Force：

Moment：

G處：M=650

約束條件如表1所示

表1 轉向加速過程載荷約束條件

最終設置完邊界條件的情況如圖4所示。

2.4 輪轂有限元仿真及分析

通過對輪轂的有限元模型進行仿真，可得到五種不同工況下的輪轂的等效應變云圖、等效應力云圖和安全系數云圖[4]。如圖5、6、7所示，后輪轂初始設計最大變形量為0.05mm，發生在加速時的軸承安裝面；最大應力126MPa，且應力較為集中，發生在加速時的球籠孔處；最小安全系數3.99，發生在加速時的球籠孔。其次，后輪轂最大應力較小，最大變形量較小，安全系數較大，銷軸安裝處，制動盤安裝處以及軸承安裝位置都比較安全。可見原設計比較保守，為了實現賽車輕量化，后輪轂可作進一步結構優化。轉彎制動、制動工況的安全系數達到8.6，變形量低至0.013mm，故后面的迭代分析將忽略這兩種工況。

圖5 加速工況下輪轂應變云圖

圖6 加速工況下輪轂應力云圖

圖7 加速工況下輪轂安全系數云圖

3 后輪轂結構優化

基于上述的有限元分析，對原有后輪轂的設計進行優化，將輪輞安裝法蘭處結構改為四段圓弧形，厚度從14mm減為12mm，軸承安裝處厚度從4.5mm改為4mm。對改進后的后輪轂進行有限元分析，僅考慮轉向加速、轉向及加速工況下后輪轂的受力情況，進而得到優化后的后輪轂等效應力云圖、等效應變云圖和安全系數云圖，如圖8、9、10所示。

優化后的賽車后輪轂最大變形量為0.09mm，發生在加速工況軸承安裝面。同樣在加速工況，輪轂所受最大等效應力148MPa，出現在球籠安裝孔處。改進后的輪轂最小安全系數為3.39，相對于原先設計，輪轂結構更為合理，應力分布也更適宜，符合設計要求，滿足強度要求，具體可參考表2。后輪轂初始設計質量為925g，經過改進后，質量減為762g，共減重163g，減重超過15%，達到了輕量化的目的。

表2 后輪轂結構分析對比

圖9 優化后轉彎制動下輪轂應力云圖

圖10 優化后轉彎制動下輪轂安全系數云圖

4 結論

以FSEC賽車后輪轂為研究對象，通過ANSYS軟件，設置網格和相應的邊界條件，模擬各種賽車工況，建立輪轂有限元模型，對生成的等效應力云圖、等效應變云圖和總變形云圖進行分析，發現原設計存在應力集中等問題。針對分析結果，對原輪轂設計進行結構優化并重驗證，改進后的輪轂疲勞強度滿足賽車工況要求，同時質量降低了15%。

[1] 中國大學生方程式汽車大賽規則委員會.2019中國大學生方程式大賽規則第一版[R].北京:中國汽車工程學會.

[2] 王慧芳,龍思遠,朱姝晴.鋁合金輪轂的有限元分析及結構優化[J].特種鑄造及有色合金,2015,35(01):30-32.

[3] 陳楠楠,陽林,鐘云耀,葉磊.FSAE賽車集成化輪轂的設計與校核[J].機械與電子,2015(11):38-42.

[4] 焦洪宇,夏葉,趙榮,范麗穎.基于ANSYS Workbench的汽車鋁合金輪轂彎曲疲勞強度有限元分析[J].汽車實用技術,2018(22):40-42.

Optimization Design of Rear Wheel Hub of FSEC Racing Based on ANSYS*

Liang Shaozhen, Yang Lin, ChenDeshen, Li Renbin, Luo Wenxing

( GuangDongUniversity Of Technology, Guangdong Guangzhou 510006 )

The rear wheel hub of the FSEC racing car is subjected to complex alternating loads, and the structure is reasonably related to the safety of the car and the driver. This paper uses ANSYS software to carry out finite element analysis on the rear wheel hub in several different track conditions, and found that the original design has problems such as stress concentration. Based on the analysis of the equivalent stress cloud map, equivalent strain map and total deformation cloud map of the hub, the original design is optimized. The optimized design achieves a more reasonable stress distribution, reduced hub quality by more than 15%, and meets the lightweight requirements of racing cars.

FSEC racing; wheel hub; optimized design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.026

U462

A

1671-7988(2019)10-73-03

U462

A

1671-7988(2019)10-73-03

梁紹臻，碩士研究生，廣東工業大學，研究方向：方程式賽車關鍵技術，無人駕駛汽車關鍵技術。陽林，博士，教授，碩士生導師，廣東工業大學，研究方向：方程式賽車關鍵技術，電動汽車關鍵技術。

國家級大學生創新創業訓練計劃項目。項目編號：201811845004。