有限元分析技術在汽車輪轂設計中的應用研究

盧振生 呂關想 王迎輝 史愛平 常家偉 趙宏雋

（綏化學院電氣工程學院，黑龍江 綏化152061）

汽車輪轂設計工作開展時，需綜合考量汽車輪轂的美觀性與可靠性，確保汽車輪轂達到國家行業設計標準。為提升汽車輪轂設計工作整體水平，可合理應用有限元分析技術，開展汽車輪轂仿真模型試驗，對汽車輪轂結構、材料、強度等進行優化，保證汽車輪轂設計工作的可靠性。鑒于我國汽車保有量的不斷攀升，汽車生產工藝不斷提升，為實現輕量化節能設計目標，需對汽車輪轂設計方式進行合理創新。

1 有限元分析在汽車工程領域的應用

結構分析：應用有限元分析技術，可實現對復雜的汽車發動機零部件、汽車變速器殼體、車身和汽車輪轂的結構進行校核與優化，同時分析其相應的彎曲剛度、材料強度、扭轉剛度析等；碰撞安全分析：為保證汽車輪轂具有一定可靠性與安全性，可基于有限元技術開展汽車碰撞實驗，對行人保護系統、約束系統進行可靠性評估，判斷汽車輪轂的整體安全性與可靠性。

CFD 分析：該種分析工作，主要是對整車流場進行評估分析，評估發動機艙熱流場的實際變化規律，保證整體運行安全性與可靠性；NVH 分析：該項分析工作，主要對汽車的動態剛度與震動噪聲進行分析，基于有限元分析技術對汽車輪轂設計方案進行合理優化，提高汽車運行的整體舒適度與安全性[1]。

2 有限元分析技術在汽車輪轂設計中的應用研究

2.1 汽車輪轂設計問題解析

通過對前人的汽車輪轂設計工作進行解析可知，汽車輪轂設計工作開展階段，輪轂結構設計與造型設計獨立開展，如汽車企業依據汽車設計造型進行車輛輪轂造型設計，在汽車輪轂的設計造型通過審核后，建構對應的三維模型，確保汽車輪轂造型與車身融為一體。而后依據審核通過的造型設計要求，開展后續的輪轂結構設計工作，由于輪轂造型設計的局限性，使得結構設計無法達到預期安全要求。

為保證汽車輪轂設計方案的可靠性，達到國家標準的要求，需對汽車輪轂結構設計方案進行反復修改處理，不僅增加了汽車輪轂結構設計工作量，同時升高了結構設計方案的風險性，使得汽車整體生產制造受到影響，不利于車企整體運營管理。為充分解決該問題，設計者可合理應用有限元分析技術，使得汽車輪轂造型設計與結構設計有機結合。基于有限元對三維模型建構的求解分析，提高汽車輪轂的整體設計效率與質量。

2.2 有限元分析技術應用優勢探討

汽車輪轂結構設計工作開展時，合理運用有限元分析技術，可提高汽車輪轂設計工作質量與水平，如基于有限元技術進行汽車輪轂的二維造型設計，并對其設計二維造型方案進行嚴格審核，為后續有限元三維模型建構鋪墊基礎，保證三維汽車輪轂模型建構的可靠性與準確性如圖1 所示。若汽車輪轂的二維模型設計方案，未能達到預期設計高度，則需對設計方案進行重新優化完善，以保證三維汽車輪轂模型，達到有限元設計預期目標。通過有限元設計技術應用，快速完成汽車輪轂預期設計目標，有效提高了汽車輪轂設計工作效率，縮短了汽車模型設計周期，對汽車開發生產成本進行控制。

圖1 輪轂三維造型

汽車輪轂進行有限元分析技術應用時，需對汽車輪轂設計模型進行仿真測試，網格劃分如圖2 所示，如進行汽車輪轂材料疲勞應力仿真試驗、沖擊載荷仿真試驗、彎曲應力仿真試驗等。基于仿真試驗測試，可對不同材料設計的車輛輪轂的承受區間進行力學性能測定結果如表1 所示，為后續車輛輪轂設計工作提供數據支持。通過有限元技術應用分析可知，在彎曲運行工況下，汽車直輻輪轂的運行力學性能更加優秀；在沖擊運行工況下，汽車彎曲輪輻的設計力學性能表達更好。由此可見，很多車企進行汽車輪轂設計時，為保證汽車輪輻具有更好的受力性能，主要采取直輻條背面開槽的設計技術方案，進而實現預期汽車輪轂設計效果與目的[2]。

表1 鋼、鋁合金和鎂合金輪轂的剛度強度表

汽車輪轂設計優化工作開展時，部分學者利用有限元分析技術，對汽車輪轂結構強度進行探討，通過三維模型支持，對汽車輪轂厚度進行輕量化設計，進而合理發揮出有限元技術應用優勢。部分學者基于參數優化設計視域，對鍛造鋁合金汽車輪轂進行研究分析，以17 英寸汽車輪轂為設計目標，以PROE 系統建構汽車車輪的幾何模型，并在汽車輪轂中導入ANSYS 相關數據信息，對其汽車輪轂進行強度設計與拓撲優化設計，最終汽車輪轂的設計優化后，輪轂整體質量明顯得到提高、應力得到均衡分配，且輪轂最大應力小于對應的許用應力，優化結果如圖3 所示，應力隨時間變化曲線如圖4 所示。

圖2 輪轂網格劃分

圖3 輪轂優化后模型

圖4 應力隨時間變化曲線

部分學者基于有限元分析技術，對汽車輪轂進行結構設計探討，建構相關數學模型進行可行性分析評估。通過拓撲優化與有限元設計技術結合，對汽車輪轂模型進行設計優化，使得汽車輪轂設計優化方案，達到汽車輪轂設計預期要求。如對16英寸汽車輪轂設計時，圍繞全封閉輪輻設計要求進行五輻車輪設計，基于有限元仿真分析，對其汽車車輪進行輕量化設計，保證汽車車輪設計方案，達到預期汽車設計要求，保證汽車運行整體安全性與可靠性。

2.3 有限元技術的設計應用論證

設計人員應用有限元分析技術，設計一款17 英寸的汽車輪轂，為充分發揮出有限元技術設計優勢，利用Hypermesh 計算機系統，進行汽車輪轂三維模型的離散化處理。實際設計工作開展時，基于10 節點四面體進行模型網格劃分，確保網格的平均尺寸為10 毫米。汽車輪轂設計時，采用A635 特制鋁合金材料，該種材料的密度達到2.8×10-9t/mm3，而材料的設計彈性模量達到72000MPA，泊松比值為0.33。在對汽車輪轂的FEA 模型進行自由模態分析，則可準確提取出設計模型的輪轂固有頻率與振動規律。汽車輪轂作為汽車運行安全的基本保證，進行汽車輪轂設計時，應當主動規避汽車輪轂出現共振問題，以消除汽車外部產生的激勵頻率，激勵頻率包含汽車運行產生的路面振動頻率與汽車發動機振動頻率，通過有限元分析技術應用，則可保證汽車輪轂不出現相關振動問題。基于試驗研究可知，當汽車行駛于路況較高的區域，行駛路面發出的激勵頻率小于3HZ，而汽車行駛的路況較差，此時行駛路面發出的激勵頻率小于11HZ。四缸直列發動機運行過程中，產生的激勵頻率處于200 HZ 以內。為此，汽車輪轂設計時，需考量多種激勵頻率，利用有限元分析技術，保證汽車輪轂不會出現共振問題，保證汽車輪轂的設計壽命與安全[3]。

2.4 未來汽車輪轂設計的發展趨勢

輕量化汽車設計制造，可有效控制汽車生產的資源消耗，且保證汽車運行安全性。在輕量化設計工作開展時，汽車輪轂設計作為重點，有效設計汽車輪轂，可減輕汽車運行自重，可有效改變汽車的燃油經濟性，整車重量減低10%，燃油效率可提高6%-8%，同時降低二氧化碳及碳氫化合物的排放量。基于有限元設計分析技術，對汽車輪轂進行設計優化，使得簧上質量與簧下質量的比值趨于均衡，可有效提高汽車運行燃油經濟性與駕駛舒適度。由此可見，合理應用有限元設計技術對汽車輪轂進行設計優化，可有效提高汽車運行安全性與經濟性[4]。基于工程設計視域分析可知，汽車輪轂設計時，主要進行拓撲優化，實現工程預期設計結構，充分發揮出相關材料的價值，提高材料的整體利用效率。部分研究學者進行材料結構拓撲設計優化時，模仿趙州橋進行材料強度驗證試驗，分析得出拓撲優化工作的開展有效性。即汽車輪轂進行有限元設計時，可對其材料進行拓撲優化處理，實現預期汽車輪轂設計目標。

結束語

本文基于有限元分析技術在汽車工程領域中的應用，著重闡述有限元分析技術在汽車輪轂設計中的實際應用。鑒于汽車輪轂設計工作重要性，圍繞有限元分析進行模型求解與分析，并開展針對性的仿真試驗，對設計方案進行可靠性論證，評估有限元分析技術的應用可行性。通過文中論述可知，有限元分析技術在輪轂設計中應用具有可操作性，未來汽車輪轂設計工作開展時，應當合理靈活運用有限元分析技術，推動我國汽車產業高質量發展。