鋁合金輪轂彎曲性能有限元分析

童寒川，夏偉

摘 要：汽車輪轂是汽車上的重要旋轉部件，文章以汽車輪轂為研究對象，對其彎曲性能進行有限元分析，為其輕量化設計和結構優化提供理論基礎。汽車輪轂的輕量化設計需從材料和結構兩個方面考慮，在當前的汽車行業，鋁合金是汽車輪轂的最佳選擇材料;結構方面，文章利用CATIA三維設計軟件對汽車輪轂進行簡單的造型設計，然后運用ANSYS有限元軟件，對輪轂的彎曲性能進行了有限元分析，研究了輪轂的應力分布情況，在保證其最大應力值遠小于鋁合金輪轂許用應力的情況下，對輪轂的結構優化設計提供了理論依據。

關鍵詞：汽車輪轂;彎曲性能;有限元分析;結構優化

中圖分類號：U465.2 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-132-03

Finite Element Analysis of Bending Performance of Aluminum Alloy Wheel hub*

Tong Hanchuan1， Xia Wei2

（ 1.Wuhan City Polytechnic，Hubei Wuhan 430064; 2.Wuhan Technical College of Communications， Hubei Wuhan 430065）

Abstract： The automobile wheel hub is an important rotating component in the automobile. This paper takes the automobile wheel hub as the research object and conducts finite element analysis on its bending performance， which provides a theoretical basis for its lightweight design and structural optimization. The lightweight design of automobile wheels needs to be considered in terms of materials and structure. In the current automotive industry， aluminum alloy is the best choice for automobile wheels. In terms of structure， this paper uses CATIA three-dimensional design software to carry out simple design of automobile wheels. Then， using ANSYS finite element software， the finite element analysis of the bending performance of the hub is carried out， and the stress distribution of the hub is studied. The structure optimization of the hub is ensured when the maximum stress value is much smaller than the allowable stress of the aluminum alloy wheel hub. The design provides a theoretical basis.

Keywords： Automobile hub; Bending performance; Finite element analysis; Structural optimization

CLC NO.： U465.2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-132-03

引言

車輪是車輛行駛系統的重要部件，是聯系汽車與地面之間的紐帶，它承受著來自地面的沖擊力、汽車行駛時的驅動力和制動力以及轉彎行駛時的離心力等。車輪不僅是輪胎的形狀骨架，也是將輪胎與車軸連接起來的旋轉部件。近年來，隨著行駛車速的提高，車輪的性能對汽車的制動安全性、操縱穩定性、行駛平順性等有著重大影響。

車輪的強度和剛度與乘車人的安全和車輛的性能息息相關。一方面，如果車輪的剛度不夠，在行駛時遇到沖擊載荷就會產生局部塑性變形，車輪是一個動平衡的部件，局部的塑性變形會破壞車輪原來的性能，從而影響到整車的平順性、乘坐的舒適性，還會帶來沖擊載荷使零部件遭到破壞，高速行駛的汽車遇到這種情況必將車毀人亡，后果是慘痛的。另一方面，車輪的強度和剛度如果太大，必然會增加車輪的質量，增大輪輻和和輪輞的厚度[1，2]。車輪是旋轉部件，車輪質量的增加給整車的轉動慣量帶來的影響比其它任何部分質量增加所帶來的影響都嚴重，它會使整車的平順性變壞，油耗增加，加速性能變差。因此，本文研究的目的就是使輪轂在滿足強度和剛度要求的前提下，盡量減輕質量，使整車具有更好的經濟性、動力性和平順性。

1 輪轂有限元模型的建立

1.1 輪轂模型的簡化

汽車輪轂的三維造型一般都較為復雜，如圖1所示。本文對輪轂中對分析結果影響較小以及非考察區域的幾何特征進行了簡化。如輪轂的充氣孔、安裝臺上的修飾凹槽以及輪轂的裝飾圓角均進行了簡化。簡化后的模型如圖2所示。

圖1 ?簡化前模型 ? ? ? ? ? 圖2 ?簡化后模型

1.2 輪轂模型的導入

本文利用CATIA建立了汽車輪轂的三維模型，以英文命名文件并保存為model格式（ANSYS軟件支持的導入格式），這樣CATIA模型就可以順利導入到ANSYS中，所建有限元實體模型如圖3所示。

圖3 ?輪轂有限元模型顯示圖

1.3 選擇單元類型

選擇SOLID187單元，該單元有10個節點，每個節點都有x、y、z三個方向的平移自由度以及繞x、y、z旋轉的轉動自由度。

1.4 定義材料屬性

本文研究的輪轂的材料為A356的鑄造鋁合金，其特征參數為：密度2690kg/m3，彈性模量6.9×1010Pa，泊松比0.33，在ANSYS中輸入材料屬性時，將這些參數輸入到對應的輸入框中，以完成材料屬性的定義。

1.5 劃分網格

ANSYS軟件提供了四種劃分網格的方法：自由網格劃分法、映射網格劃分法、延伸網格劃分法、自適應網格劃分法。一般來說，對簡單規則的實體劃分網格，采用映射網格劃分法比較好，通過這種方法劃分的網格可以得到精確的計算結果。但是對于結構較復雜的輪轂來說，是無法采用映射網格劃分法來劃分網格的，而自由網格是不受幾何模型和單元形狀影響的。因此，本文選用自由網格劃分法對輪轂進行網格劃分[3]。

在劃分網格時，選用Smart Size選項，這樣可以方便地由程序自動劃分網格，省去分網控制的麻煩，其有從1到10十個等級精度，1為最精細。劃分網格時，拖動滑塊選擇分網精度為4，這只是控制全局的網格大小，但往往不能滿足某些局部結構分析的要求。輪輻是結構分析時的重要研究部位，因此本文還對輪輻部分進行了網格細化，結果如圖4所示。

圖4 ?輪轂網格劃分顯示圖

1.6 定義約束

輪轂的固定與連接是通過連接螺栓實現的，螺栓是輪轂所受載荷的中間承受者與傳遞者。因此在進行有限元分析時對螺栓孔全約束是貼合實際且合理的。本文在定義約束時對輪轂的五個螺栓孔自由度進行全約束[4，5]。

2 施加載荷

相關實驗表明，汽車輪轂所受的力主要是彎矩載荷，但在ANSYS中是很難直接施加彎矩載荷的。為了便于在ANSYS中實現輪轂所受載荷的施加，本文對彎矩載荷進行了簡化處理，等效為兩個分別施加在輪輞兩個側面上下半周上的分布力F1、F2，這兩個力分布形式相同，大小相等，方向相反，合力為零。

作用在輪輞半周上的分布力可以認為是按橢圓形形式分布的，查閱資料可得到加載面函數的表達式為：

（1）

式中，T0——施加在單位面積上的壓力;

x——加載面上的節點坐標;

r——加載面的半徑。

在ANSYS 中施加余弦函數形式的分布載荷，只有通過定義函數的形式才能實現。在ANSYS中選用Functions功能，把上式定義為一個函數，在施加載荷時直接以此函數作為載荷輸入。具體做法如下：

（1）選擇菜單Main Menu： Solution﹥Loads﹥Define Loads﹥Apply﹥Functions﹥Define/Edit，在彈出的函數編輯對話框中輸入 ，并保存。

（2）選擇菜單Main Menu： Solution﹥Loads﹥Define Loads﹥Apply﹥Functions﹥Read File，選擇剛才定義的函數，在彈出的對話框中輸入fun作為施加載荷時的選擇參數，點擊OK。

（3）選擇菜單Main Menu： Solution﹥Loads﹥Define Loads﹥Apply﹥Structure﹥Pressure，然后選取需要施加載荷的兩個輪輞側面，點擊OK，完成函數載荷的施加。

3 計算及結果分析

在完成有限元模型建立之后，運用ANSYS分析求解模塊進行求解計算，計算完成之后可以得到如圖5和圖6所示的輪轂應力、變形圖。

圖5 ?輪轂正面應力分布圖

從應力分布圖中可以看出，最大應力值為209MPa，小于鋁合金輪轂的屈服強度240MPa，并且最大應力只是出現在輻板與安裝凸臺交接處，該區域即為疲勞危險區域，在輪轂設計時應該對該區域進行加強。輪轂其他區域的應力值均遠小于其屈服強度。因此，本文分析的鋁合金輪轂還有很大的強度儲備，很有必要對該輪轂進行進一步的優化設計，以減輕整個輪轂的自重。另外，螺栓孔、輪輞及輪緣的部位都出現了較大的應力值，這些部位都在施加載荷處，這是符合實際情況的。

圖6 ?輪轂背面應力分布圖

4 總結

運用有限元軟件對輪轂的彎曲疲勞試驗進行有限元分析，可以清晰的顯示出輪轂在彎曲疲勞試驗中應力的分布情況，對進一步的優化設計具有重要的指導意義。通過有限元分析，我們可以知道設計的輪轂是否符合強度要求。通過應力分布圖，我們可以很直觀的看出疲勞危險區域和有很大強度儲備的區域。對于疲勞危險區域，我們可以進一步設計加強;對于有很大強度儲備的區域，我們可以進行進一步的減重設計，同時也說明了有限元軟件對汽車零部件的結構設計及優化有著非常重要的作用，使用有限元軟件可以大大縮短產品的開發周期，降低生產成本。

參考文獻

[1] 秦德申.轎車車輪動態應力的測試與分析[J].汽車工程，1989，（4）： 58-64.

[2] 傅盛，夏復興，袁慶豐.轎車車輪鋼圈強度的有限元分析[J].機電一體化，2003（4）：34-35.

[3] 王明明.鋁合金汽車輪轂結構設計與優化[D].吉林大學碩士學文論文2011.6.

[4] 郄彥輝.鋁合金車輪的結構分析及優化[D].河北工業大學碩士學位論文，2003.03.

[5] 閆勝昝.鋁合金車輪結構設計有限元分析與實驗研究[D].浙江大學博士學位論文，2008.10.