铝合金车轮的有限元分析与疲劳寿命预测

《铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》篇一一、引言铝合金轮毂以其轻量化、高强度和良好的抗腐蚀性等特点，在现代汽车工业中得到了广泛应用。

了解铝合金轮毂的力学性能和通过有限元分析（FEA）进行结构优化，对于提升汽车性能、保障行车安全具有重要意义。

本文将探讨铝合金轮毂的力学性能及其有限元分析方法。

二、铝合金轮毂的力学性能1. 轻量化与高强度铝合金轮毂的主要优点之一是其轻量化与高强度。

铝合金材料具有较低的密度，能够有效降低汽车整车的重量，从而提高燃油经济性。

同时，其高强度保证了轮毂在承受重载和冲击时能够保持结构的完整性。

2. 抗腐蚀性铝合金具有良好的抗腐蚀性，能够抵抗潮湿、盐雾等恶劣环境的侵蚀，延长了轮毂的使用寿命。

此外，铝合金轮毂的表面处理技术如喷涂、电镀等也能进一步提高其抗腐蚀性能。

三、铝合金轮毂的有限元分析有限元分析是一种有效的工程分析方法，可以用于研究铝合金轮毂的力学性能和结构优化。

通过建立轮毂的三维模型，并利用有限元软件进行网格划分、材料属性定义、边界条件设定等步骤，可以对轮毂进行详细的力学分析。

1. 网格划分与材料属性定义在有限元分析中，首先需要对轮毂进行网格划分，将轮毂划分为若干个小的有限元单元。

然后根据铝合金的材料属性，如弹性模量、泊松比、屈服强度等，为每个单元赋予相应的材料属性。

2. 边界条件设定与加载在有限元分析中，需要设定边界条件，如约束、载荷等。

约束条件通常根据轮毂在实际使用中的固定方式来设定。

载荷则包括轮毂承受的重力、离心力、风阻等。

通过施加这些边界条件，可以模拟轮毂在实际使用中的受力情况。

3. 力学性能分析通过对轮毂进行有限元分析，可以得到其在各种工况下的应力、应变、位移等力学性能参数。

这些参数可以帮助我们了解轮毂的承载能力、刚度、抗疲劳性能等，为结构优化提供依据。

四、结构优化与改进通过有限元分析得到的力学性能参数，可以对铝合金轮毂的结构进行优化和改进。

例如，可以通过调整轮毂的厚度、形状、加强筋的位置和数量等，来提高其承载能力和抗疲劳性能。

《铝合金轮毂的有限元分析》篇一一、引言铝合金轮毂以其轻量化、耐腐蚀和良好的造型设计等特点，在现代汽车制造领域得到了广泛应用。

为了确保其设计、制造和使用的可靠性和安全性，有限元分析（FEA）技术被广泛应用于铝合金轮毂的力学性能评估。

本文将通过有限元分析的方法，对铝合金轮毂的力学性能进行深入研究。

二、铝合金轮毂的有限元模型建立1. 模型简化与假设在建立铝合金轮毂的有限元模型时，我们首先对实际结构进行适当的简化，忽略微小细节和次要因素。

同时，我们假设材料具有各向同性的特性，并遵循胡克定律。

2. 材料属性定义铝合金轮毂的材料属性包括弹性模量、泊松比、屈服强度等。

这些参数将直接影响有限元分析的准确性。

因此，在分析前需准确获取这些材料属性。

3. 网格划分网格划分是有限元分析的关键步骤。

我们采用合适的网格尺寸和类型，对铝合金轮毂进行网格划分，确保模型的准确性和计算效率。

三、铝合金轮毂的有限元分析方法1. 边界条件设定在有限元分析中，我们需要设定合理的边界条件，包括约束、载荷等。

这些边界条件将直接影响分析结果的准确性。

2. 静力学分析静力学分析是评估铝合金轮毂在静态载荷下的力学性能的重要手段。

我们通过施加力、压力等载荷，分析轮毂的应力分布、变形等情况。

3. 动力学分析动力学分析则用于评估铝合金轮毂在动态载荷下的力学性能。

我们通过模拟不同工况下的振动、冲击等动态载荷，分析轮毂的动态响应和疲劳寿命。

四、结果与讨论1. 静力学分析结果静力学分析结果显示，铝合金轮毂在承受静态载荷时，应力主要集中在轮辐与轮盘的连接处以及轮辐与轮毂边缘的过渡区域。

通过对比不同设计方案的应力分布情况，我们可以找出最优设计方案，以提高轮毂的承载能力和使用寿命。

2. 动力学分析结果动力学分析表明，铝合金轮毂在受到动态载荷时，会产生一定的振动和变形。

通过分析轮毂的动态响应和疲劳寿命，我们可以评估其在实际使用过程中的可靠性和安全性。

同时，我们还可以通过优化设计，降低轮毂的振动和疲劳损伤，提高其使用寿命。

《铝合金轮毂的有限元分析》篇一一、引言铝合金轮毂是现代汽车工业中广泛应用的重要部件之一。

随着汽车行业的飞速发展，对于车辆轻量化、耐用性和安全性的要求也日益提升。

因此，铝合金轮毂以其优良的物理性能和经济性得到了广大制造商的青睐。

然而，在实际使用中，铝合金轮毂的设计和生产需要充分考虑其复杂的工作环境和各种潜在风险。

因此，采用有限元分析（FEA）对铝合金轮毂进行性能分析和优化显得尤为重要。

二、铝合金轮毂的有限元模型建立1. 材料属性定义在有限元分析中，首先需要定义铝合金轮毂的材料属性。

这包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度等关键参数。

这些参数将直接影响模型的力学性能和应力分布。

2. 几何模型建立根据铝合金轮毂的实际几何形状和尺寸，建立精确的几何模型。

在建模过程中，应充分考虑轮毂的复杂结构和细节特征，以确保分析的准确性。

3. 网格划分将几何模型划分为适当的网格是有限元分析的关键步骤。

网格的划分应考虑到计算精度和计算效率的平衡，确保在关键区域有足够的网格密度。

三、铝合金轮毂的有限元分析1. 载荷和边界条件设置在有限元分析中，需要设置载荷和边界条件。

载荷包括车辆行驶过程中的惯性力、摩擦力等；边界条件则涉及到轮毂与轮胎的连接方式、约束等。

这些条件的设置将直接影响分析结果的准确性。

2. 应力分析通过有限元分析，可以获得铝合金轮毂在各种工况下的应力分布情况。

这包括静态应力、动态应力以及交变应力等。

分析结果将有助于评估轮毂的强度、刚度和耐久性。

3. 模态分析模态分析可以获取铝合金轮毂的振动特性，如各阶模态频率和振型。

这对于评估轮毂在复杂工作环境下的动态性能具有重要意义。

四、结果与讨论通过对铝合金轮毂的有限元分析，可以得到以下结论：1. 铝合金轮毂在各种工况下的应力分布情况，为优化设计提供依据；2. 模态分析结果有助于了解轮毂的动态性能，为降低振动和噪声提供参考；3. 通过对比不同设计方案的有限元分析结果，可以找到最优的设计方案，提高轮毂的性能和寿命；4. 有限元分析还可以用于评估铝合金轮毂在复杂工作环境中的潜在风险，为生产制造提供有力支持。

《铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》篇一一、引言随着汽车工业的快速发展，铝合金轮毂因其轻量化、耐腐蚀性以及良好的成形性能等优势，已经成为了现代汽车制造业的标配。

为了更全面地理解铝合金轮毂的力学性能和其在各种条件下的应力分布，有限元分析（FEA）已成为不可或缺的辅助手段。

本文旨在研究铝合金轮毂的力学性能及其在有限元分析中的应用。

二、铝合金轮毂的力学性能铝合金轮毂的力学性能主要体现在其抗拉强度、屈服强度、冲击韧性以及疲劳强度等方面。

这些性能的优劣直接决定了轮毂的安全性和使用寿命。

1. 抗拉强度和屈服强度：铝合金的抗拉强度和屈服强度是衡量其抵抗外力破坏能力的关键指标。

铝合金轮毂通常需要具备较高的抗拉和屈服强度，以保证在高速行驶和复杂路况下不会发生断裂或变形。

2. 冲击韧性：冲击韧性是指材料在受到冲击载荷时吸收能量并保持其完整性的能力。

铝合金轮毂需要具备良好的冲击韧性，以应对突发情况如碰撞等。

3. 疲劳强度：由于轮毂需要长期承受车辆重力和路面反作用力等循环载荷，因此其疲劳强度也是一项重要的力学性能指标。

优质的铝合金轮毂应具备较高的疲劳强度，以延长其使用寿命。

三、有限元分析在铝合金轮毂中的应用有限元分析（FEA）是一种通过数值计算方法对实际物理系统进行模拟的技术。

在铝合金轮毂的设计和优化过程中，有限元分析具有重要的应用价值。

1. 模型建立：首先，根据铝合金轮毂的实际尺寸和结构，建立精确的有限元模型。

模型中需要考虑轮毂的材料属性、边界条件以及载荷情况等因素。

2. 材料属性定义：在有限元模型中，需要定义铝合金的材料属性，如弹性模量、泊松比、密度、抗拉强度、屈服强度等。

这些属性将直接影响有限元分析的结果。

3. 载荷和边界条件设置：根据实际工作情况，设置轮毂所受的载荷和边界条件。

如车辆重力、路面反作用力、轮胎与轮毂之间的摩擦力等。

4. 求解和分析：通过求解有限元方程，得到轮毂在各种工况下的应力、应变、位移等结果。

农业装备与车辆工程2015年0引言21世纪初，随着能源危机的加剧，汽车工业对于整车轻量化的研究也越来越深入，而减轻车重主要途径之一是采用轻质合金材料轮毂来替代原有钢制材料轮毂，以达到减轻车重并降低燃油消耗率的目的[1]。

有相关数据表明，将汽车整车质量降低10%，燃油效率可相应提高6%～8%[2]。

因此，大尺寸铝合金轮毂替代传统钢制轮毂应用于重载车上，将对降低整车重量及降低燃油消耗率产生重要影响。

同时，铝合金轮毂良好散热性，增强了车辆制动效能，使得轮胎和制动盘寿命提高，有效保障整车的安全性。

目前，重载车用大尺寸铝合金轮毂大都采用锻造和压力铸造，工艺成本相对较高。

低压铸造作为比较成熟的成型方式，成本低，且铸造产品也已在轿车上得到广泛应用。

因此，将低压铸造铝合金轮毂应用于重载车型对于收稿日期：2015－04－07修回日期：2015－04－14doi ：10．3969／j．issn．1673－3142．2015．07．011大尺寸重载车用铝合金轮毂径向疲劳寿命预测王素梅1，边雷雷2，岳峰丽1（1.110179辽宁省沈阳市沈阳理工大学汽车与交通学院；2.071000河北省保定市长城汽车股份有限公司）［摘要］大尺寸低压铸造铝合金轮毂在服役状态下疲劳寿命研究较少，是其广泛应用于重载车型的原因之一。

因此，利用有限元方法建立重载车用低压铸造铝合金轮毂径向疲劳模型，在轮辋胎圈座上施加等效径向载荷，并考虑充气压力对轮毂的影响，对轮毂进行有限元分析，以确定轮毂的应力应变分布。

在应力分析基础上，考虑轮毂在成型过程中不同部位力学性能差异造成其疲劳性能不同，运用应力疲劳理论对轮毂径向疲劳过程进行寿命预测。

结果表明：在径向疲劳过程中，内轮缘变形量相对较大，这与相关文献结果符合；与小尺寸铝合金轮毂、大尺寸钢制轮毂相比，轮辋外侧连接内轮缘圆角处应力值相对较高，轮毂通风口之间没有出现应力集中；轮辋外侧圆角处寿命最低，预测结果符合轮毂实际使用情况，为轮毂结构设计与后期改进提供依据。

《铝合金车轮双轴疲劳试验数值模拟研究》篇一一、引言在汽车工业中，铝合金车轮以其轻量化、耐腐蚀性以及高强度等特点得到了广泛的应用。

然而，随着汽车工业的快速发展，对车轮的耐久性和可靠性提出了更高的要求。

双轴疲劳试验是评估车轮在复杂工况下性能的重要手段。

传统的双轴疲劳试验通常依赖于物理试验，不仅成本高昂，而且耗时较长。

因此，通过数值模拟技术对铝合金车轮双轴疲劳试验进行研究，既能够节省成本，又能够快速得到结果，为实际的车轮设计和制造提供有力支持。

二、铝合金车轮的材料与结构特点铝合金车轮通常采用轻质铝合金材料制造，其具有较高的比强度和良好的塑性。

车轮的结构设计也经过了精细的优化，以适应不同的使用需求。

铝合金车轮的这些特点使其在汽车工业中得到了广泛的应用。

三、双轴疲劳试验原理及重要性双轴疲劳试验是一种模拟车轮在实际使用中受到的复杂应力状态的试验方法。

通过双轴疲劳试验，可以评估车轮在多种工况下的耐久性和可靠性。

该试验对于预测车轮的使用寿命、优化设计以及提高产品质量具有重要意义。

四、数值模拟方法及模型建立1. 有限元分析方法：采用有限元分析软件对铝合金车轮进行建模和数值模拟。

通过建立精确的几何模型和材料模型，可以模拟车轮在双轴疲劳试验中的应力分布和变形情况。

2. 模型建立：根据铝合金车轮的实际尺寸和结构特点，建立精确的有限元模型。

在模型中考虑材料的非线性、塑性以及蠕变等特性，以更准确地反映实际工况下的车轮性能。

五、数值模拟结果与分析1. 应力分布：通过数值模拟，可以获得车轮在不同工况下的应力分布情况。

这包括车轮在不同角度下的弯曲、扭转以及剪切等应力状态。

2. 疲劳寿命预测：根据数值模拟结果，可以预测车轮的疲劳寿命。

通过分析不同区域的应力集中情况以及材料的疲劳性能，可以评估车轮在不同工况下的使用寿命。

3. 结果分析：将数值模拟结果与实际双轴疲劳试验结果进行对比，验证数值模拟方法的准确性和可靠性。

通过对模拟结果进行深入分析，可以优化车轮的设计和制造工艺，提高产品的性能和寿命。

《铝合金轮毂的有限元分析》篇一一、引言随着汽车工业的快速发展，铝合金轮毂因其轻量化、高强度、良好的抗腐蚀性等优点，在汽车行业中得到了广泛的应用。

然而，轮毂作为汽车的重要部分，其结构和性能对汽车的行驶稳定性和安全性具有重要影响。

因此，对铝合金轮毂的结构进行准确的分析和优化显得尤为重要。

本文通过有限元分析方法，对铝合金轮毂的结构性能进行了深入的研究。

二、铝合金轮毂的有限元模型建立1. 模型简化与假设在进行有限元分析前，需要对铝合金轮毂的实体模型进行简化。

简化过程中，我们假设轮毂的材料是均匀且各向同性的，忽略微小的不规则形状和细节。

同时，我们忽略了轮毂制造过程中的工艺影响，如铸造缺陷、热处理不均等。

2. 网格划分在有限元分析中，网格的划分对分析结果的准确性具有重要影响。

我们采用高精度的四面体网格对铝合金轮毂进行划分，确保在关键部位如轮辐、轮缘等处的网格足够细密。

3. 材料属性定义铝合金轮毂的材料属性包括密度、弹性模量、泊松比、屈服强度等。

这些参数的准确设定对分析结果的准确性具有重要影响。

我们通过实验测定和文献查阅，获取了准确的材料属性。

三、有限元分析过程1. 边界条件设定在有限元分析中，边界条件的设定是关键的一步。

我们根据实际情况，设定了轮毂的约束条件和载荷条件。

如，轮毂与轴承的接触部位设定为固定约束，而轮毂所受的力则通过力载荷或压力载荷的方式进行施加。

2. 应力与应变分析通过有限元分析软件，我们对铝合金轮毂进行了应力与应变分析。

在各种工况下，如制动、加速、转弯等，对轮毂的应力与应变进行了详细的计算和分析。

通过分析结果，我们可以清楚地看到轮毂的最大应力和应变位置，为优化设计提供依据。

四、结果与分析1. 应力与应变分布情况通过对铝合金轮毂的有限元分析，我们得到了其应力与应变的分布情况。

结果显示，轮毂在制动等工况下，应力主要集中在轮辐和轮缘的交界处，而应变则主要发生在轮缘部位。

这为我们提供了优化设计的方向。

《铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》篇一一、引言随着汽车工业的快速发展，铝合金轮毂因其轻量化、高强度、耐腐蚀等优点被广泛应用于汽车制造领域。

为了更全面地理解铝合金轮毂的力学性能及在实际使用过程中的安全性和耐久性，本文对铝合金轮毂的力学性能进行了研究，并结合有限元分析进行探讨。

二、铝合金轮毂的力学性能1. 弹性性能铝合金轮毂的弹性性能主要表现在其抵抗弹性变形的能力。

通过实验测试，我们可以得到铝合金轮毂的弹性模量、泊松比等参数，这些参数反映了轮毂在受到外力作用时的变形程度。

2. 强度与韧性铝合金轮毂的强度和韧性是衡量其抵抗破坏能力的重要指标。

通过拉伸试验和冲击试验，我们可以得到铝合金轮毂的屈服强度、抗拉强度以及冲击韧性等参数。

这些参数对于评估轮毂的安全性和耐久性具有重要意义。

3. 疲劳性能铝合金轮毂在使用过程中会受到周期性的应力作用，因此其疲劳性能是评价其使用寿命的重要指标。

通过疲劳试验，我们可以得到铝合金轮毂的疲劳极限和疲劳寿命等参数，从而为轮毂的设计和制造提供依据。

三、有限元分析有限元分析是一种有效的数值模拟方法，可以用于研究复杂结构在各种载荷作用下的应力、应变和位移等性能。

在铝合金轮毂的有限元分析中，我们主要关注以下几个方面：1. 模型建立与网格划分根据铝合金轮毂的实际结构，建立准确的几何模型。

然后对模型进行网格划分，将模型离散化为有限个单元。

网格的划分对于有限元分析的精度和计算效率具有重要影响。

2. 材料属性与边界条件设定将铝合金轮毂的力学性能参数（如弹性模量、屈服强度等）输入有限元软件，并设定边界条件（如约束、载荷等）。

这些参数和条件的设定将直接影响有限元分析的结果。

3. 载荷与应力分析在有限元分析中，我们需要对铝合金轮毂施加一定的载荷（如弯矩、扭矩等），然后通过求解得到轮毂的应力、应变和位移等性能参数。

这些参数可以用于评估轮毂的安全性和耐久性。

四、结论通过对铝合金轮毂的力学性能及有限元分析的研究，我们可以得到以下结论：1. 铝合金轮毂具有较好的弹性性能、强度和韧性以及疲劳性能，可以满足汽车使用的要求。

《铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》篇一一、引言随着汽车工业的快速发展，铝合金轮毂因其轻量化、高强度、耐腐蚀等优点，逐渐成为现代汽车制造中不可或缺的一部分。

本文旨在探讨铝合金轮毂的力学性能及其有限元分析，以揭示其在实际应用中的性能表现及优化方向。

二、铝合金轮毂的力学性能1. 材料特性铝合金轮毂的主要材料为铝基合金，具有较高的比强度和比刚度。

其材料特性包括良好的塑形、抗腐蚀性以及热稳定性。

此外，铝合金的导热性能也优于其他金属材料，有利于轮毂的散热。

2. 力学性能指标铝合金轮毂的力学性能主要表现在其抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击韧性等方面。

这些指标直接决定了轮毂在使用过程中的安全性和耐久性。

在生产过程中，需严格控制材料的质量和加工工艺，以确保轮毂的力学性能达到设计要求。

三、有限元分析方法有限元分析是一种常用的工程分析方法，通过将连续体离散化为有限个单元，求解各单元的近似解，进而得到整个结构的解。

在铝合金轮毂的力学性能分析中，有限元分析可以有效地模拟轮毂在实际使用过程中的应力、应变、位移等行为，为优化设计提供依据。

四、铝合金轮毂的有限元分析1. 模型建立根据铝合金轮毂的实际结构，建立有限元模型。

在模型中，需考虑轮毂的几何形状、材料属性、边界条件等因素。

同时，为提高分析精度，需对关键部位进行网格细化。

2. 加载与约束根据实际使用情况，对轮毂施加相应的载荷和约束。

如考虑轮毂在行驶过程中受到的径向力、侧向力、弯曲力等，以及与轮胎之间的相互作用力等。

在有限元模型中，需对这些载荷和约束进行合理设置，以模拟实际使用情况。

3. 求解与分析通过有限元软件进行求解，得到轮毂在各种工况下的应力、应变、位移等结果。

通过对这些结果进行分析，可以了解轮毂在实际使用过程中的受力情况和变形情况，为优化设计提供依据。

五、结论与展望通过本文的分析可知，铝合金轮毂具有优良的力学性能和较高的安全性。

有限元分析方法可以有效地模拟轮毂在实际使用过程中的行为，为优化设计提供依据。

Simulation Analysis and Life Evaluation for Dynamic Radial Fatigue Test of Aluminum Alloy Wheel
作者： 吉军 张辉 张宣妮 李艳红
作者机构： 咸阳师范学院物理与电子工程学院,陕西咸阳712000
出版物刊名： 咸阳师范学院学报
页码： 22-26页
年卷期： 2011年 第2期
主题词： 铝合金车轮 动态径向疲劳试验 S-N疲劳分析法 疲劳寿命预测
摘要：动态径向疲劳试验是评测铝合金车轮安全性的三大性能试验之一,采用有限元方法实
现试验的仿真分析和疲劳寿命预测,能够减少物理试验次数,提高车轮设计研发效率。

基于ANSYS Workbench平台,考虑轮胎充气压力对仿真结果的影响,建立了试验仿真有限元模型,实
现了15×6JJ铝合金车轮动态径向疲劳试验的仿真分析,运用S-N疲劳分析方法得到了径向试验载荷下车轮的疲劳寿命及损伤分布情况。

研究结果表明,轮缘、胎圈座和辐条根部后侧是疲劳损伤
的主要集中部位,需要进行设计改进。

关于摩托车铝合金车轮扭转疲劳的有限元分析【摘要】本文通过使用建模仿真和计算机计算分析的方法，在针对于摩托车铝合金车轮进行有效建模的基础上，结合ANSYS有限元分析软件，进行铝合金材质的摩托车车轮扭转疲劳分析。

该种分析方法相对于传统的疲劳分析试验，可以更快捷有效的进行仿真模拟下的疲劳性能分析，在车轮金属材质特性已知的前提下，最大程度上模拟出可能的车轮受力分析，并基于车轮结构分析出最易损毁的部位和损毁需要达到的最低应力值。

同时，基于以上分析的数据结果，进行简单的扭转疲劳寿命预测和分析。

【关键词】摩托车铝合金车轮；扭转疲劳；有限元分析；建模试验引言随着社会经济的进步和科技的发展，车轮行业也在朝着新的发展趋势变革，传统的材质和工艺要求已经远不能符合摩托车行业的需求，车轮的发展趋势逐步的演变成以高性能和轻质量化为主，同时更加强调车轮的稳定性能、减震性能、散热性能和耐摩擦性能等多个方面。

这也就要求着车轮需要完成冲击、弯曲、径向、扭转等多个疲劳性能试验和测试，以保证更加优越的质量性能满足市场的需要。

但是，在实际操作的过程中，常常会因为很多细节处理不够而导致试验不能通过，进而不得不重新进入设计-制作-疲劳试验的过程中，在这一循环中甚至需要成百上千次的反复测试，才能够完全通过，而这带来了大量的时间和资源的浪费。

因此，找到一种合理有效的方法进行计算机的建模和模拟，为快速的发现细节缺陷和辅助实际设计提供帮助变得十分重要。

本文探讨的，就是针对于摩托车铝合金车轮的扭转疲劳设计进行基本建模和有限元分析实验。

1 扭转疲劳与有限元分析法概述1.1 疲劳破坏与扭转疲劳的基本概念一般来说，车轮的性能指标需要多个标准和实验进行全方位的分析和认证，本文所探讨的是针对于车轮的扭转疲劳性能方面，进行系统化的建模和针对性的有限元分析。

1.1.1 疲劳破坏任何材料都会发生疲劳破坏，所谓疲劳破坏就是指当材料受到不断地变化的力的作用的情况下，尽管力的大小没有达到该种材料所能承受的力的极限值，但是材料会在不断地受力的过程中，逐步的遭受到破坏，甚至最后彻底的崩溃。

《铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》篇一一、引言随着汽车工业的快速发展，铝合金轮毂因其轻量化、高强度、耐腐蚀等优点，逐渐成为现代汽车的重要部件。

了解铝合金轮毂的力学性能及其在各种工况下的应力分布，对于提高轮毂的设计水平、保障行车安全具有重要意义。

本文将重点探讨铝合金轮毂的力学性能及通过有限元分析方法对其进行的深入研究。

二、铝合金轮毂的力学性能铝合金轮毂的力学性能主要包括其强度、硬度、韧性、疲劳性能等。

这些性能直接决定了轮毂在使用过程中的安全性和可靠性。

1. 强度与硬度：铝合金轮毂的强度和硬度是其抵抗外力破坏的能力。

通过合理的合金成分设计和热处理工艺，可以提高铝合金的强度和硬度，从而满足轮毂的承载要求。

2. 韧性：韧性是铝合金轮毂抵抗冲击和断裂的能力。

优良的韧性可以保证轮毂在受到碰撞或冲击时，不易发生断裂，保障行车安全。

3. 疲劳性能：铝合金轮毂在使用过程中，会受到周期性应力的作用，容易出现疲劳裂纹。

因此，良好的疲劳性能是保证轮毂长期稳定运行的关键。

三、有限元分析方法在铝合金轮毂中的应用有限元分析是一种有效的数值模拟方法，可以用于研究铝合金轮毂在各种工况下的应力分布、变形及失效模式。

通过有限元分析，可以深入了解轮毂的力学性能，为优化设计提供依据。

1. 建立有限元模型：根据铝合金轮毂的实际结构，建立精确的有限元模型。

模型中应包括轮毂的各个部分，如轮辐、轮盘、气门等。

2. 施加边界条件与载荷：根据轮毂的实际工作情况，施加相应的边界条件和载荷。

如考虑车轮的转动、刹车等工况，以及轮胎与地面之间的相互作用力。

3. 求解与分析：通过有限元软件进行求解，得到轮毂在各种工况下的应力分布、变形及失效模式。

对结果进行分析，可以了解轮毂的薄弱环节，为优化设计提供依据。

四、案例分析以某款铝合金轮毂为例，通过有限元分析方法对其进行分析。

首先建立该轮毂的有限元模型，施加边界条件和载荷，然后进行求解。

通过分析结果，发现该轮毂在刹车工况下，某些部位的应力较大，存在潜在的失效风险。

基于有限元的铝合金车轮疲劳研究目前，在汽车工业发展中，轻量化发展已经成为主要发展的趋势和方向，为有效促进轻量化发展，在汽车工业中采用轻质材料铝及相关合金等材料，能够有效提高轻量化发展能力。

在本次研究中，为更好促进轻量化汽车工业发展，主要建立于Solidworks系统中，基于有限元的铝合金车轮疲劳进行研究，有效促进汽车的轻质化研究，提高和优化车轮的轻质化设计，有效提高车轮的抗疲劳性。

标签：轻量化发展;铝合金车轮;结构设计;有限元分析;强度分析;疲劳研究一、引言在汽车工业中，车轮是汽车的主要构成部件之一，其作用不仅是作为协助汽车运动，更是要支撑汽车本身所有的自重，其功能较为强大，作用较为突出和明显。

汽车车轮在支撑整个汽车自重的同时，还承载着行驶过程中汽车因减速、车轮摩擦力、风力阻力以及路面不平、湿滑等引发各种不同的动态载荷，造成车轮转动惯量增大，使车轮发生强度断裂，引发疲劳失效[1]。

因此，本文主要基于有限元的铝合金车轮疲劳进行研究，对汽车轮胎使用寿命和车轮疲劳进行分析，从而有效提高车轮的使用寿命。

二、铝合金车轮的发展及其现状目前，在汽车工业中，为提高汽车使用寿命和燃油经济性，就要有效实现汽车轻量化。

在研究中表明，减轻汽车自重，能够有效减轻汽车行驶的阻力、摩擦力，降低风力阻力、路面材料对汽车行驶的影响，能够有效改善汽车在行驶过程中的转向能力、加速能力和制动能力等，避免噪声和振动对汽车带来的负面影响，使汽车的功率运转能力能够得到有效提升。

轻量化汽车的研发，能够有效降低汽车的低油耗，减少汽车尾气的排放，使环境污染得到有效缓解。

为提高轻量化汽车生产能力，最直接的方式就是采用轻量化材料、优化汽车结构，例如在研发过程中，采用高强度钢板，铝合金等轻质材料代替传统的汽车材料，更改汽车的结构、缩小相关零部件，降低汽车的重量。

在传统的汽车制造业中，钢制车轮一直占有主导地位，目前，随着科学技术的不断发展和进步，铝合金车轮逐步替代钢制汽车材料，同时铝合金车轮不仅具有质量轻等特点，其美观性、节能性、耐腐蚀等特点也深受人们喜好。

《铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》篇一一、引言随着汽车工业的快速发展，铝合金轮毂因其轻量化、高强度、耐腐蚀等优点，在汽车制造领域得到了广泛应用。

本文旨在探讨铝合金轮毂的力学性能及其有限元分析，以进一步理解其在实际使用中的应力分布和承载能力。

二、铝合金轮毂的力学性能1. 轻量化与高强度铝合金轮毂相较于传统的铸铁轮毂，具有明显的轻量化特点。

同时，铝合金的强度也得到了显著提高，使得其能承受较大的外部应力，保证了车辆的行驶安全。

2. 良好的抗腐蚀性铝合金具有较好的抗腐蚀性，不易受潮和锈蚀。

在复杂多变的道路环境下，这能有效保护轮毂免受腐蚀，延长其使用寿命。

三、铝合金轮毂的有限元分析有限元分析是一种有效的工程分析方法，通过将复杂的结构离散为有限个简单单元，求解各单元的应力、应变等物理量，从而得到整个结构的力学性能。

对于铝合金轮毂的有限元分析，主要步骤如下：1. 模型建立首先，根据铝合金轮毂的实际尺寸和结构，建立精确的三维模型。

模型应包括轮毂的辐条、轮盘等主要部分，以及可能的细节特征。

2. 材料属性定义在模型中定义铝合金的材料属性，包括密度、弹性模量、屈服强度等。

这些属性将直接影响有限元分析的结果。

3. 网格划分将模型离散为有限个单元，即网格划分。

网格的密度和类型将影响分析的精度和计算量。

对于铝合金轮毂，应采用适当的网格划分方法，以保证分析的准确性。

4. 加载与约束根据实际使用情况，对模型施加必要的加载和约束。

例如，考虑轮毂在行驶过程中所受的径向力、横向力以及制动力等。

同时，对模型施加适当的约束，以保证其在分析过程中的稳定性。

5. 求解与分析通过有限元软件进行求解，得到铝合金轮毂在各种工况下的应力、应变等物理量。

对结果进行分析，了解其在实际使用中的应力分布和承载能力。

四、结论通过对铝合金轮毂的力学性能及有限元分析，我们可以得出以下结论：1. 铝合金轮毂具有轻量化、高强度、抗腐蚀等优点，能有效提高汽车的行驶安全和舒适性。

铝合金铝合金车车轮双轴双轴疲劳疲劳疲劳寿命有限元寿命有限元寿命有限元分析分析分析胡金华1 张芳芳1朱志华2 李宝华2 郎玉玲2 阿拉腾2 李昌海2（1）燕山大学 河北 066004（2）中信戴卡轮毂制造股份有限公司 河北 066004摘 要：首先介绍了车轮双轴试验基本情况。

其次简要介绍了车轮双轴试验有限元建模及疲劳寿命分析的基本过程。

最后以860车轮为例，对铝合金车轮双轴疲劳试验进行了有限元疲劳寿命分析。

1 1 前言前言前言车轮是汽车的一个重要部件，它对汽车的行驶安全性、稳定性、平顺性和牵引性有重要的作用，对能源的消耗、轮胎的寿命和驾驶员的劳动强度都有较大的影响。

车轮的设计与开发需要较高的工程经验与分析水平。

新设计的轿车车轮必须通过一系列的台架试验才能批量生产。

目前轿车车轮台架试验主要包括弯曲疲劳试验、径向疲劳试验、冲击强度试验和双轴疲劳试验。

由于车轮工作在随机载荷之下，所以在其研制当中最关心的问题之一就是车轮的疲劳寿命，即保证车轮在使用寿命期间内不发生疲劳破坏。

早期的车轮疲劳试验包括弯曲疲劳试验和径向疲劳试验。

2000年，赵桂范等[1]给出了用改进的史密斯公式对车轮的疲劳寿命进行预测的计算方法。

2002年，崔胜民和杨占春[2]提出了用名义应力法和局部应力应变法对车轮的疲劳寿命进行预测。

王波和管迪华给出了对钢质车轮多轴疲劳寿命的预测方法。

1999年，张红桩[3]在本文作者的指导下，以三维设计软件UG 和有限元分析软件ANSYS 为工具，将车轮的设计与疲劳寿命预测结合起来，建立了车轮弯曲疲劳的CAE 平台，此平台能够较可靠地预测出轮辐破坏的车轮的弯曲疲劳寿命，但是由于没有考虑各元件间的接触关系及螺栓预紧力的影响，所以不能准确地计算出法兰盘及螺栓孔附近的应力分布情况，因而对法兰盘处破坏的车轮无能为力。

2000年，周荣等[4]针对钢制车轮的弯曲疲劳试验，建立了车轮弯曲疲劳试验的计算机仿真系统。

此系统是以有限元分析为基础的疲劳寿命估算系统，该系统由有限元分析程序、接口程序和疲劳寿命估算程序三部分组成，给出了以有限元分析结果与名义应力法和局部应力应变法相结合对钢制车轮弯曲疲劳寿命进行预测的方法。

《铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》篇一一、引言铝合金轮毂是现代汽车中常用的重要零部件之一，具有轻质、高强度、抗腐蚀等特点，因此得到了广泛应用。

然而，轮毂作为承载和传递力量的重要构件，其力学性能及耐久性直接影响车辆行驶的稳定性和安全性。

本文将对铝合金轮毂的力学性能进行研究，并通过有限元分析的方法对轮毂进行建模、计算和分析，为轮毂的设计和制造提供理论依据。

二、铝合金轮毂的力学性能铝合金轮毂的力学性能主要包括其强度、刚度、韧性等。

这些性能指标直接关系到轮毂的承载能力、抗变形能力和抗冲击能力。

1. 强度铝合金轮毂的强度主要取决于其材料的化学成分、组织结构和加工工艺。

在足够的拉伸强度和屈服强度下，铝合金轮毂可以有效地承受车辆行驶过程中的各种力，保证车辆的稳定性和安全性。

2. 刚度刚度是描述物体抵抗变形能力的物理量。

铝合金轮毂的刚度越高，其抵抗变形的能力就越强。

在车辆行驶过程中，轮毂会受到来自地面的反作用力，如果刚度不足，就会导致轮毂变形，影响车辆的操控性和稳定性。

3. 韧性韧性是指材料在受到冲击或振动时，能够吸收能量并保持其完整性的能力。

铝合金轮毂的韧性对于抵抗因路面不平或碰撞等因素引起的冲击具有重要意义。

良好的韧性可以保证轮毂在受到冲击时不易破裂或断裂，保障行车安全。

三、铝合金轮毂的有限元分析有限元分析是一种有效的数值模拟方法，可以用于研究复杂结构的力学性能和变形行为。

本文将采用有限元分析的方法对铝合金轮毂进行建模、计算和分析。

1. 建模首先，根据铝合金轮毂的实际尺寸和结构，建立其三维模型。

在建模过程中，需要考虑到轮毂的几何形状、材料属性和边界条件等因素。

然后，对模型进行网格划分，将模型离散成有限个小的单元，以便进行后续的计算和分析。

2. 计算和分析在有限元分析软件中，根据铝合金轮毂的实际工作情况，设置相应的载荷和约束条件。

然后，通过求解器对模型进行计算和分析，得到轮毂在各种工况下的应力、应变、位移等力学性能参数。

《铝合金轮毂的有限元分析》篇一一、引言随着汽车工业的快速发展，铝合金轮毂因其轻量化、耐腐蚀和良好的散热性能，已成为现代汽车制造中的重要部件。

为了提高铝合金轮毂的制造精度、安全性能和耐久性，有限元分析（FEA）技术被广泛应用于其设计和生产过程中。

本文将详细介绍铝合金轮毂的有限元分析方法及其应用。

二、铝合金轮毂的有限元模型建立1. 几何模型建立首先，根据铝合金轮毂的实际尺寸和结构，在CAD软件中建立其几何模型。

模型应包括轮毂的辐条、轮盘等关键部分。

2. 材料属性定义根据铝合金轮毂的材料特性，定义其弹性模量、密度、泊松比等材料属性。

同时，考虑材料的非线性特性，如塑性变形和应力松弛等。

3. 网格划分将几何模型导入有限元分析软件中，进行网格划分。

网格划分应遵循一定的规则，确保网格的密度和精度满足分析要求。

三、有限元分析方法及步骤1. 边界条件设定根据实际工况，设定铝合金轮毂的边界条件，如约束、载荷等。

同时，考虑轮毂在实际使用过程中的动态特性。

2. 静态分析对铝合金轮毂进行静态分析，计算其在不同工况下的应力、应变等参数。

通过分析结果，评估轮毂的强度和刚度是否满足设计要求。

3. 动态分析在静态分析的基础上，对铝合金轮毂进行动态分析。

通过模拟轮毂在实际使用过程中的振动、冲击等动态载荷，分析其动态特性和疲劳性能。

4. 结果后处理将有限元分析结果进行后处理，提取关键参数和指标。

通过绘制应力云图、变形云图等图形化结果，直观地展示铝合金轮毂的性能特点。

四、铝合金轮毂的优化设计1. 设计优化方向根据有限元分析结果，确定铝合金轮毂的优化方向。

如减轻轮毂重量、提高强度和刚度、改善散热性能等。

2. 优化方法采用多种优化方法，如拓扑优化、形状优化、尺寸优化等，对铝合金轮毂进行优化设计。

通过不断迭代和优化，提高轮毂的性能指标。

五、实例分析以某款铝合金轮毂为例，采用有限元分析方法对其进行分析和优化。

首先建立该款轮毂的有限元模型，设定边界条件和工况。

ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－５０９Ｘ.２０２０.０８.００１基于６σ方法的铝合金车轮径向疲劳寿命可靠性分析吕㊀磊ꎬ何㊀钢(河海大学机电工程学院ꎬ江苏常州㊀２１３０２２)摘要:为分析多目标优化前㊁后铝合金车轮径向疲劳可靠性ꎬ建立了铝合金车轮的有限元模型并进行静力学分析ꎬ在ｎＣｏｄｅ中基于应力分析理论进行数值仿真计算ꎬ对车轮进行径向疲劳寿命分析ꎮ以车轮的径向疲劳寿命和自重为优化目标构建多目标优化数学模型ꎬ优化后的车轮径向疲劳寿命大幅提高ꎬ同时车轮的自重减少了１５％ꎮ基于６σ方法对优化前㊁后的结果进行了可靠性分析ꎬ结果表明优化后的车轮可靠性更高ꎮ关键词:多目标优化ꎻ铝合金车轮ꎻｎＣｏｄｅꎻ疲劳分析ꎻ可靠性分析中图分类号:ＴＨ１６４㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:２０９５－５０９Ｘ(２０２０)０８－０００１－０６㊀㊀车轮是行驶系统的重要组成部件ꎬ它对汽车的行驶安全有着至关重要的影响ꎮ据统计ꎬ８０％以上的车轮破坏属于疲劳破坏[１]ꎬ对乘用车上人员的生命安全构成巨大威胁ꎬ因此对乘用车铝合金车轮在使用之前进行疲劳和可靠性分析显得至关重要ꎮ多年来ꎬ在铝合金车轮的疲劳与可靠性研究方面国内外学者做了很多工作ꎮＳｔｅａｒｎｓ等[２]用有限元法进行了铝合金车轮的径向疲劳模拟试验ꎬ建立了有效的力学模型ꎬ求出了车轮的应力应变分布ꎻ宋桂秋等[３]考虑了轮胎的试验气压对车轮的影响ꎬ通过ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ平台对车轮进行径向疲劳分析ꎬ提供了一种快捷且可靠的分析方法ꎻ谢然等[４]将６σ优化设计方法运用到汽车车身轻量化设计上ꎬ在满足可靠性要求的基础上ꎬ大幅降低了车身质量ꎮ本文为分析以铝合金车轮径向疲劳寿命和自重为优化目标优化前㊁后的车轮可靠性ꎬ建立了铝合金车轮参数化模型ꎬ分别对其进行静力学分析和径向疲劳分析ꎬ通过多目标优化对车轮的径向疲劳寿命和自重进行优化ꎬ运用６σ方法对优化前后的结果进行可靠性分析ꎬ分析结果表明ꎬ优化后的车轮可靠性更高ꎮ１㊀铝合金车轮静力学分析１.１㊀铝合金车轮有限元模型本文的研究对象为深槽铝合金车轮ꎬ依据国家标准ＧＢ/Ｔ３４８７ ２０１５«乘用车轮辋规格系列»[５]ꎬ选择５ʎ深槽轮辋中的Ｊ型轮廓形式ꎬ具体规格为１８ˑ７.５Ｊꎬ偏距为２１.６ｍｍꎬ设置螺栓孔的节圆直径ＰＣＤ值为１００ｍｍꎬ共计５个Ｍ１６螺栓孔ꎮ车轮采用参数化建模ꎬ有利于分析车轮结构参数对车轮整体性能的影响ꎮ铝合金车轮重要参数如图１及表１所示ꎬ图中Ｄ１为胎环宽度ꎬＤ２为胎座直径ꎬＤ３为偏距ꎬＤ４为螺栓孔节圆直径ꎬＤ５为螺栓孔直径ꎬ图１㊀铝合金车轮示意图收稿日期:２０２０－０２－１４作者简介:吕磊(１９９５ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ主要研究方向为数字化设计ꎬ９４２０５２８０１＠ｑｑ.ｃｏｍ.通讯作者:何钢ꎬ男ꎬ副教授ꎬｈｅｇａｎｇ＠ｈｈｕ.ｅｄｕ.ｃｎ.１ ２０２０年８月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ａｕｇ.２０２０第４９卷第８期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４９Ｎｏ.８Ｄ６为中心孔直径ꎬＤ７为胎座宽度ꎮ表１㊀铝合金车轮重要参数ｍｍ㊀㊀参数数值胎环宽度Ｄ１２０１.０胎座直径Ｄ２２３０.２偏距Ｄ３２１.６螺栓孔节圆直径Ｄ４１００.０螺栓孔直径Ｄ５１６.０中心孔直径Ｄ６５７.０胎座宽度Ｄ７１３.０㊀㊀铝合金车轮的材料为Ａ３５６ꎬ国内牌号为ＺＬ１０１ꎬ材料的弹性模量为７.１ˑ１０４ＭＰａꎬ密度为２７００ｋｇ/ｍ３ꎬ泊松比为０.３ꎬ许用应力为２４０ＭＰａꎮ采用四面体十节点单元对铝合金车轮进行网格划分ꎬ网格大小设置为１０ｍｍꎬ共有１４６０４９个单元ꎬ４２４９９８个节点ꎬ网格质量均大于０.７ꎬ划分好网格的有限元模型如图２所示ꎮ图２㊀铝合金车轮有限元模型１.２㊀边界条件施加ＧＢ/Ｔ５３３４ ２００５«乘用车车轮性能要求和试验方法»[６]中详细叙述了动态径向疲劳试验的试验方法和要求ꎬ径向疲劳试验示意图如图３所示ꎮ图３㊀径向疲劳试验示意图㊀㊀在动态径向疲劳试验中ꎬ转鼓带动车轮旋转ꎬ车轮受到胎压和一个恒定载荷的作用ꎬ恒定载荷的加载方向垂直于转鼓表面ꎬ与车轮和转鼓的中心连线在径向上一致ꎬ值得注意的是实际情况下车轮只有与转鼓接触的部位受力ꎬ径向载荷是轮胎通过胎圈座施加到车轮上的ꎬ载荷作用的部位是角度θ０为３０ʎ~４０ʎ所对应的胎圈座[７]ꎬ径向力分布近似服从余弦函数分布ꎬ力的大小为从中间向两边按余弦规律减小ꎮ本文将车轮划分为１２等份ꎬ一份的圆心角为３０ʎꎬ即θ０为３０ʎꎬ这样设定θ０既在合理范围之内ꎬ也便于计算ꎮ具体的径向载荷分布如图４所示ꎮ图４㊀径向载荷分布图㊀㊀铝合金车轮试验的径向载荷[８]Ｆｒ由下式求得:Ｆｒ＝ＦｖＫ(１)式中:Ｆｖ为汽车制造厂规定的车轮上的最大垂直静载荷或车轮的额定载荷ꎬ本文取４９００ＮꎻＫ为强化试验系数ꎬ本文取２.２５ꎮ由此求得Ｆｒ为１１０２５Ｎꎮ车轮径向分布力ｗｒ与最大径向分布力ｗ０间的关系为:ｗｒ＝ｗ０ｃｏｓ(π２ θθ０)(２)对式(２)进行积分得:Ｗ＝ｂʏθ０－θ０ｗｒｒｂｄθ＝ｂʏθ０－θ０ｗ０ｒｂｃｏｓ(π２ θθ０)ｄθ(３)式中:Ｗ为径向合力ꎻｂ为车轮两侧胎圈座受力宽度总和ꎻｒｂ为胎圈座半径ꎻθ为车轮的圆心角ꎮ式(３)经整理得到:ｗ０＝Ｗπ４ｂｒｂθ０(４)径向合力Ｗ与径向试验载荷Ｆｒ的关系为:Ｗ＝Ｆｒ２(５)车轮径向疲劳分析所涉及数据见表２ꎮ表２㊀车轮径向疲劳分析相关数据Ｗ/Ｎｂ/ｍｍｒｂ/ｍｍθ０/(ʎ)ｗ０/ＭＰａ５５１２.５２６２３０.２３０１.６７㊀㊀将螺栓孔内表面作为固定约束ꎬ试验轮胎胎压２ ２０２０年第４９卷㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀设定为０.４５ＭＰａꎬ径向载荷沿胎圈座周向均匀分布ꎬ采用１２个载荷步序列模拟车轮一个载荷循环过程的受力状态ꎬ其中单个载荷步的边界条件如图５所示ꎮ图５㊀径向疲劳分析边界条件１.３㊀静力学结果分析通过Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ求得铝合金车轮的等效变形㊁等效应变和等效应力云图ꎬ如图６所示ꎬ由图可以看出ꎬ车轮在受到１２个载荷步序列循环加载下ꎬ胎圈座及附近轮辋变形量最大ꎬ中心孔附近变形较小ꎬ应力与应变情况相似ꎬ轮辋及附近轮辐应力和应变最大ꎬ而在螺栓孔和中心孔附近应力和应变最小ꎮ２㊀铝合金车轮疲劳分析２.１㊀应力疲劳分析理论铝合金车轮的疲劳为高周疲劳ꎬ应采用应力疲劳分析方法ꎮ标准的应力疲劳分析过程需要通过实验获得材料的Ｓ－Ｎ曲线ꎬｎＣｏｄｅ软件中的材料Ｓ－Ｎ曲线如图７所示ꎬ其中ｂ１为第一疲劳强度图６㊀动态径向疲劳试验静力学分析结果指数ꎻｂ２为第二疲劳强度指数ꎻＳＲＩ１为应力范围截距ꎻＵＴＳ为材料疲劳极限强度ꎻＲＲ为应力比ꎻＮＣ１为过渡寿命ꎬ对应纵坐标Δσ＝ＳＲＩ１(Ｎｆ)ｂ１ꎬＮｆ为疲劳失效循环次数ꎻＮＦＣ为疲劳极限寿命ꎮ图７㊀标准Ｓ－Ｎ曲线示意图㊀㊀根据理论推导ꎬＳ－Ｎ曲线到ＮＣ１点就停止延伸ꎬＮＣ１点对应的Ｓ－Ｎ曲线上点的纵坐标值为材料的极限应力幅Δσꎬ当工件受的应力小于Δσ时ꎬ就理解为近似无损伤ꎮ但是在实际生产中ꎬ即使工件所受的应力小于Δσꎬ工件仍受到损伤ꎬ只是损伤量较小ꎬ因此ｎＣｏｄｅ在标准的Ｓ－Ｎ曲线中加上了ｂ２段ꎬ且ｂ２下降的速率变小ꎬ使加上ｂ２段后的Ｓ－Ｎ曲线更贴近实际ꎮ２.２㊀载荷谱及材料设置铝合金车轮的径向疲劳分析使用ｎＣｏｄｅ的Ｓ－ＮＴｉｍｅＳｔｅｐ模块ꎬ所受的径向力的载荷历程由静力学分析中设置的１２个载荷步构成ꎬ每一个载荷步代表着径向载荷完整施加到每一等份车轮的时间历程ꎬ其中０~１ｓ时径向载荷对车轮的第一等份从０加载到１.６７ＭＰａꎬ１~２ｓ时又从１.６７ＭＰａ降回到０ꎬ同时在１~２ｓ中径向载荷对车轮的第二等份从０加载到１.６７ＭＰａꎬ依次循环加载ꎬ１２个载荷步加载完成即径向载荷正好加载一圈ꎬ如图８所示ꎮ图８㊀径向疲劳分析载荷历程３２０２０年第８期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀吕磊:基于６σ方法的铝合金车轮径向疲劳寿命可靠性分析㊀㊀材料的疲劳极限与试件的疲劳寿命紧密相连ꎬ使用ｎＣｏｄｅ进行疲劳分析ꎬ所用到的材料必须是软件材料库自带的ꎬ铝合金车轮Ａ３５６的Ｓ－Ｎ曲线如图９所示ꎮ图９㊀Ａ３５６的Ｓ－Ｎ曲线２.３㊀铝合金车轮疲劳分析在ｎＣｏｄｅ中ꎬ车轮径向疲劳分析结果如图１０所示ꎬ由图可知ꎬ车轮两侧的轮辋㊁辐条和轮辐与轮辋的交界处受到的损伤最大ꎬ受损量最大的部位最多运行２.２２３ˑ１０６次就会发生疲劳失效ꎬ超过了国家标准规定的最少运行５ˑ１０５次的要求ꎬ符合国家标准要求ꎮ图１０㊀车轮径向疲劳寿命云图３㊀铝合金车轮多目标优化可靠性分析３.１㊀优化目标设计变量:Ｄｉ(ｉ＝１ꎬ２ꎬ ꎬ７)约束条件:１９５ｍｍɤＤ１ɤ２０５ｍｍ２２５ｍｍɤＤ２ɤ２３５ｍｍ２０ｍｍɤＤ３ɤ２３ｍｍ９０ｍｍɤＤ４ɤ１１０ｍｍ１４ｍｍɤＤ５ɤ１８ｍｍ５３ｍｍɤＤ６ɤ６０ｍｍ１１ｍｍɤＤ７ɤ１４ｍｍｌȡ５ˑ１０５ìîíïïïïïïïïïïï目标函数:ｍａｘｆ１(ｘ)＝ｌ(Ｄ１ꎬＤ２ꎬ ꎬＤ７)ｍｉｎｆ２(ｘ)＝ｍ(Ｄ１ꎬＤ２ꎬ ꎬＤ７){其中ｌ为铝合金车轮的径向疲劳寿命ꎬｍ为铝合金车轮的质量ꎮ３.２㊀铝合金车轮的响应面优化响应面法以实验设计法为基础ꎬ在实际生产设计中可与数理统计方法结合使用ꎮ本文结合中心复合实验设计方法获取所需的样本点ꎬ对每个样本点进行静力学与疲劳分析ꎬ建立响应面模型ꎬ并采用适合多目标和约束的ＭＯＧＡ(ｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ)进行优化求解ꎬＭＯＧＡ是一种基于Ｐａｒｅｔｏ排序的多目标遗传算法[９]ꎬ具体的响应面优化流程图如图１１所示ꎮ图１１㊀响应面优化流程图㊀㊀铝合金车轮的各结构参数对优化目标的影响程度不同ꎬ车轮的径向疲劳寿命和自重对各设计变量的灵敏度如图１２所示ꎬ可以看出就车轮的径向图１２㊀车轮疲劳寿命和自重对设计变量灵敏度４ ２０２０年第４９卷㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀疲劳寿命而言ꎬ对其影响最大的是螺栓孔直径和胎环宽度ꎬ螺栓孔直径越大ꎬ车轮的径向疲劳寿命越短ꎻ胎环宽度越大ꎬ车轮的径向疲劳寿命越长ꎮ对车轮自重影响最大的设计变量是胎环宽度和胎座直径ꎬ车轮的自重随两者的增大而增大ꎮ铝合金车轮经过响应面优化后的结果见表３ꎬ由于将车轮自重设为优化目标ꎬ因此除中心孔直径和胎座宽度增大之外ꎬ其余参数值均比与原始数值小ꎬ从而使车轮的径向疲劳寿命大幅增加ꎬ且自重相比原车轮降低了１.６８９ｋｇꎮ表３㊀优化前后结果对照表参数优化前优化后Ｄ１/ｍｍ２０１.０１９５.３１０Ｄ２/ｍｍ２３０.２２２５.０００Ｄ３/ｍｍ２１.６１９.６４０Ｄ４/ｍｍ１００.０９２.３６０Ｄ５/ｍｍ１６.０１４.０５５Ｄ６/ｍｍ５７.０５９.５０７Ｄ７/ｍｍ１３.０１３.８４５ｌ/次２.２２ˑ１０６２.９４ˑ１０８ｍ/ｋｇ１１.２４５９.５５６３.３㊀６σ可靠性分析通过响应面优化获得了满足目标函数的最优解ꎬ即铝合金车轮最优结构参数ꎬ但是实际生产出的车轮其结构参数具有一定的分散性ꎬ为验证响应面优化结果的可靠性ꎬ采用６σ可靠性分析方法对优化结果进行评估ꎮ铝合金车轮的几何参数服从正态分布ꎬ详见表４ꎮ表４㊀随机输入变量名称分布类型均值标准差胎环宽度/ｍｍＧＡＵＳ２０１.００.８胎座半径/ｍｍＧＡＵＳ２３０.２０.８偏距/ｍｍＧＡＵＳ２１.６０.３螺栓孔节圆直径/ｍｍＧＡＵＳ１００.００.５螺栓孔直径/ｍｍＧＡＵＳ１６.００.３中心孔直径/ｍｍＧＡＵＳ５７.００.５胎座宽度/ｍｍＧＡＵＳ１３.００.３㊀㊀Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ法为最常用的概率设计方法[１０]ꎬ可以清楚地模拟实际问题的真实行为特征[１１]ꎮ本文采用拉丁超立方法进行抽样ꎬ样本点计算完毕后通过Ｋｒｉｇｉｎｇ算法对样本点进行拟合ꎬ在极限参数为高维非线性的情况下ꎬ使用二项式法插值会因计算误差太大导致错误结果[１２]ꎬ而Ｋｒｉｇ￣ｉｎｇ模型可以有效地弥补响应面法带来的缺陷ꎬ能提供一种精确的插值ꎬ并且只用由已知信息构造的估计点附近的部分来拟合未知信息[１３]ꎬ下面是Ｋｒｉｇｉｎｇ模型的具体建立方法ꎮＫｒｉｇｉｎｇ基本理论如下ꎬ由全局模型与局部偏差叠加而成ꎬ表示为:ｙ(ｘ)＝ｆ(ｘ)＋Ｚ(ｘ)(６)式中:ｙ(ｘ)为未知近似模型ꎻｆ(ｘ)为ｘ的多项式函数ꎻＺ(ｘ)为具有均值为零㊁方差σ２和非零协方差的随机项ꎮ当ｆ(ｘ)全局逼近设计空间时ꎬＺ(ｘ)创建局部偏差ꎬ以便Ｋｒｉｇｉｎｇ模型对Ｎ个样本数据点进行插值ꎮＺ(ｘ)的协方差矩阵由下式给出:ｃｏｖ[Ｚ(ｘｉ)ꎬＺ(ｘｊ)]＝σ２Ｒ([ｒ(ｘｉꎬｘｊ)])(７)式中:ｃｏｖ[ ]为Ｚ(ｘｉ)和Ｚ(ｘｊ)之间协方差ꎻＲ是由ｒ(ｘｉꎬｘｊ)构成的主对角元素为１㊁大小为ｎˑｎ的对称矩阵[１４]ꎬ称为相关系数矩阵ꎻｒ(ｘｉꎬｘｊ)是随机变量ｘｉ和ｘｊ的相关函数ꎮ本文选用高斯相关函数ꎬ表示为:ｒ(ｘｉꎬｘｊ)＝ｅｘｐ(－ðＭｋ＝１θｋ｜ｘｉｋ－ｘｊｋ｜２)(８)式中:θｋ为用于拟合模型的未知参数ꎻＭ为设计变量的数量ꎬ并且是采样点ｘｉ和ｘｊ的第ｋ个分量ꎮ由此Ｚ(ｘ)可写为:Ｚ(ｘ)＝ðＮｉ＝１λｉｒ(ｘｉꎬｘｊ)(９)式中:λｉ为权重ꎮ３.４㊀优化结果可靠性分析基于Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ法对铝合金车轮优化后的结果进行可靠性分析ꎬ结果见表５ꎬ可以看出ꎬ优化后的铝合金车轮的径向疲劳寿命大幅提高ꎬ对应的可靠度达到了１００％ꎬ大大增强了铝合金车轮在实际应用中抵抗不确定因素干扰的能力ꎮ此外ꎬ优化后的铝合金车轮的自重降低了１５％ꎬ大幅度降低了产品制造成本ꎬ实现了铝合金车轮轻量化的目标ꎮ表５㊀铝合金车轮优化可靠性分析结果优化前优化后车轮径向疲劳寿命/次２.２２ˑ１０６２.９４ˑ１０８车轮自重/ｋｇ１１.２４５９.５５６可靠度/％６８.０７８１００４㊀结论１)基于ＧＢ/Ｔ５３３４ ２００５规定的工况进行乘５２０２０年第８期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀吕磊:基于６σ方法的铝合金车轮径向疲劳寿命可靠性分析用车铝合金车轮径向疲劳试验ꎬ并以此作为车轮静力学分析的边界条件和加载依据ꎬ分析结果表明ꎬ在车轮与地面接触的胎圈座处变形量最大ꎬ车轮轮辐的应力较大ꎬ也是较易发生失效的部位ꎮ２)以静力学分析的结果作为输入ꎬ结合静力学分析中的１２个载荷步作为疲劳分析的载荷历程ꎬ对铝合金车轮径向疲劳寿命进行分析ꎬ结果表明最先失效的部位在铝合金车轮的轮辋和轮辐处ꎬ与实际情况一致ꎬ验证了该疲劳分析方法的合理性ꎮ３)对铝合金车轮的几何参数进行了优化ꎬ使铝合金车轮的质量更轻ꎬ抗疲劳性能得到加强ꎬ车轮可靠性得到提高ꎮ本文的方法也适用于车轮以外其他零部件的优化升级ꎮ参考文献:[１]㊀郭佳欢.车轮弯曲疲劳与径向疲劳研究及寿命预测[Ｄ].镇江:江苏大学ꎬ２０１６.[２]㊀ＳＴＥＡＲＮＳＪꎬＳＲＩＶＡＴＳＡＮＴＳꎬＰＲＡＫＡＳＨＡꎬｅｔａｌ.Ｍｏｄｅｌｉｎｇｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆａｎａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｒｉｍ[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ(ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ:Ｐｒｏｐｅｒ￣ｔｉｅｓꎬＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ)ꎬ２００４ꎬ３６６(２):２６２－２６８. [３]㊀宋桂秋ꎬ朱志鹏ꎬ李一鸣ꎬ等.全表面车轮径向疲劳试验的数值仿真及疲劳寿命分析[Ｊ].汽车工程ꎬ２０１７(５):７０－７４.[４]㊀谢然ꎬ兰凤崇ꎬ陈吉清ꎬ等.满足可靠性要求的轻量化车身结构多目标优化方法[Ｊ].机械工程学报ꎬ２０１１ꎬ４７(４):１１７－１２４.[５]㊀中国国家标准化管理委员会.乘用车轮辋规格系列:ＧＢ/Ｔ３４８７ ２０１５[Ｓ].２０１６.[６]㊀中国国家标准化管理委员会.乘用车车轮性能要求和试验方法:ＧＢ/Ｔ５３３４ ２００５[Ｓ].２００５.[７]㊀ＳＴＥＡＭＳＪｏｈｎＣ.Ａｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｄｉｓ￣ｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎａａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｒｉｍ[Ｄ].ＡｋｒｏｎＯｈｉｏ:ＴｈｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｋｒｏｎꎬ２０００.[８]㊀ＲＡＪＵＰＲꎬＳＡＴＹＡＮＡＲＡＹＡＮＡＢꎬＲＡＭＪＩＫꎬｅｔａｌ.Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｈｅｅｌｓｕｎｄｅｒｒａｄｉａｌｌｏａｄｓ[Ｊ].ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦａｉｌｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓꎬ２００７ꎬ１４(５):７９１－８００. [９]㊀梁其传ꎬ易朋兴ꎬ邱悦.基于稀疏网格模型与ＭＯＧＡ算法的起重机主梁结构优化[Ｊ].现代制造工程ꎬ２０１９(６):７９－８３. [１０]ＺＨＥＮＧＪＸꎬＬＩＢꎬＹＵＡＮＳＣ.ＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｃｒａｎｋｓｈａｆｔｂａｓｅｄｏｎＡＰＤＬｌａｎｇｕａｇｅｉｎＡＮＳＹＳ[Ｊ].Ａｄ￣ｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈꎬ２０１２ꎬ３７４/３７７:１９１６－１９１９. [１１]张立香ꎬ刘守荣ꎬ毛恩荣ꎬ等.基于ＡＮＳＹＳ的农机底盘驱动桥壳可靠性分析[Ｊ].农业工程学报ꎬ２０１３ꎬ２９(２):３７－４４. [１２]汪保ꎬ孙秦.改进的Ｋｒｉｇｉｎｇ模型的可靠度计算[Ｊ].计算机仿真ꎬ２０１１ꎬ２８(２):１１３－１１６.[１３]刘瞻ꎬ张建国ꎬ王灿灿ꎬ等.基于优化Ｋｒｉｇｉｎｇ模型和重要抽样法的结构可靠度混合算法[Ｊ].航空学报ꎬ２０１３ꎬ３４(６):１１２－１２０.[１４]莫旭辉ꎬ欧晓波ꎬ钟志华ꎬ等.某新型车铝合金车轮结构优化与设计研究[Ｊ].计算机仿真ꎬ２０１２ꎬ２９(１１):３６０－３６４.Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒａｄｉａｌｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｈｅｅｌｓｂａｓｅｄｏｎ６σｍｅｔｈｏｄｓＬｖＬｅｉꎬＨｅＧａｎｇ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉａｎｇｓｕＣｈａｎｇｚｈｏｕꎬ２１３０２２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｈｅｅｌｓｕｎｄｅｒｒａｄｉａｌｆａｔｉｇｕｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｍｕｌｔｉ￣ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｈｅｅｌｓａｎｄｃａｒｒｉｅｓｏｕｔｓｔａｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓ.ＩｔｃａｒｒｉｅｓｏｕｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅｏｒｙｉｎｎＣｏｄｅꎬａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｒａ￣ｄｉａｌｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆｗｈｅｅｌｓ.Ｔｈｅｍｕｌｔｉ￣ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｒａｄｉａｌｆａ￣ｔｉｇｕｅｌｉｆｅａｎｄｓｅｌｆ￣ｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｗｈｅｅｌｓａｓｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔａｒｇｅｔｓ.Ｉｔｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｒａｄｉａｌｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｗｈｅｅｌꎬａｎｄｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｗｈｅｅｌｂｙ１５％.Ｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ６σｍｅｔｈｏｄꎬａｎｄｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｗｈｅｅｌｓａｒｅｍｏｒｅｒｅｌｉａｂｌｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｕｌｔｉ￣ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎꎻａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｈｅｅｌｓꎻｎＣｏｄｅꎻｆａｔｉｇｕｅａｎａｌｙｓｉｓꎻｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ６２０２０年第４９卷㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀。