基于ANSYS的汽车铝合金轮毂弯曲疲劳分析及优化_宋渊

基于ANSYS的汽车铝合金轮毂轻量化设计作者：方宝涛徐丹来源：《时代汽车》2023年第21期摘要：针对汽车轻量化的需求，以某款轿车的铝合金轮毂为研究对象，利用ANSYS软件进行参数化建模和有限元分析，计算并分析了不同轮辐数量和轮辐厚度对轮毂最大变形量和等效应力的影响，并从中选出满足使用要求的轻量化优化方案，对后续轻量化设计工作具有实用意义和借鉴作用。

关键词：ANSYS 铝合金轮毂轮辐轻量化1 引言汽车轮毂是支撑轮胎，缓冲外界冲击，实现轮胎与路面的接触，保证车辆的行驶性能的圆柱形金属部件。

汽车在行驶中，车轮与地面的相互作用力，以及使汽车运动的力矩都是通过轮毂来实现的。

因此轮毂的强度大小是汽车稳定、可靠运行的重要因素[1]。

轻量化趋势是未来汽车的必然选择，而研究汽车轮毂的轻量化设计，也必须考虑到其机械性能能否满足要求[2]。

如闫龙龙[3]通过减小轮毂尺寸、使用轻质材料、采用计算机进行结构设计等方式实现了轮毂的轻量化。

武海滨等[4]结合铝合金材料特性，利用有限元分析技术，计算出轮辐的最佳厚度和两个轮辐之间的最佳角度范围，减轻了轮毂的重量。

王俊峰等[5]探讨了碳纤维材料在汽车轻量化设计中的应用。

本文以某款轿车的铝合金轮毂进行研究，利用有限元分析软件ANSYS建构了铝合金轮毂模型，计算出不同轮辐数量和厚度条件下的应力分布，通过强度分析，围绕铝合金轮毂的结构和工艺等方面展开轻量化设计。

2 汽车轮毂简介轮毂主要由轮辋、轮辐、偏距、轮缘与槽底构成。

轮辋与轮胎装配相配合，支撑轮胎的车轮部分；轮辐与车轴轮毂实施安装连接，支撑轮辋的车轮部分。

轮毂组成部分如图1所示。

目前市场上的汽车轮毂主要分为3种：钢制轮毂、铝合金轮毂以及镁合金轮毂。

钢制轮毂在市场上已不多见，大部分适应用于卡车或必须承载重量较大的车辆所使用，优点是结构强度高与耐冲击性良好，但缺点是重量重；铝合金轮毂以铝合金为基本材料，并适当加入各种金属元素，如：锰、镁、铬等元素，铝合金轮圈除了在造型上更加多变外，还具有形性好、质量轻，具有可回收等一系列优点，对减轻车身重量、节能减排都有着很大的影响；镁合金轮毂在汽车上的使用并非最近才出现的，是近几年来汽车市场上较为少见的产品，碳纤维轮圈具有高强度低重量的物理特性，同等体积的碳纤维强度为钢制轮毂10倍，重量却仅有钢制轮毂的1/4，但制造成本也比传统工艺高许多，且目前无法量产化，因此目前只有顶级轿车或跑车才会使用。

《铝合金车轮弯曲疲劳实验失效分析及工艺的研究》篇一一、引言随着汽车工业的快速发展，铝合金车轮因其轻量化、高强度、耐腐蚀等优点，逐渐成为现代汽车制造领域的主要选择。

然而，铝合金车轮在长期使用过程中会受到弯曲疲劳的影响，导致其性能逐渐降低，甚至出现失效现象。

因此，对铝合金车轮的弯曲疲劳实验失效分析及工艺的研究显得尤为重要。

本文将针对铝合金车轮的弯曲疲劳实验进行详细分析，并探讨其失效原因及相应的工艺改进措施。

二、铝合金车轮弯曲疲劳实验方法及过程铝合金车轮的弯曲疲劳实验主要通过模拟车辆在实际使用过程中所承受的弯曲载荷，以评估车轮的耐久性能。

实验过程中，将铝合金车轮置于专用的测试设备上，通过施加循环的弯曲载荷，观察车轮的变形情况及疲劳性能。

此外，还需对实验过程中的温度、湿度、载荷等参数进行严格控制，以保证实验结果的准确性。

三、铝合金车轮弯曲疲劳实验失效分析铝合金车轮在弯曲疲劳实验中，常见的失效形式包括裂纹、变形及断裂等。

其中，裂纹是导致车轮失效的主要原因之一。

裂纹的产生往往与材料性能、制造工艺及使用环境等因素密切相关。

此外，变形和断裂也是铝合金车轮在实验过程中常见的失效现象，这些现象往往与材料的疲劳性能及应力分布有关。

四、铝合金车轮弯曲疲劳失效原因分析铝合金车轮弯曲疲劳失效的原因主要包括材料性能、制造工艺及使用环境等方面。

首先，材料性能是影响车轮疲劳性能的重要因素，如材料的强度、硬度、韧性等。

其次，制造工艺对车轮的质量及性能具有重要影响，如铸造、加工、表面处理等环节。

此外，使用环境也是导致车轮失效的重要因素，如道路状况、气候条件、载重等。

五、铝合金车轮工艺改进措施针对铝合金车轮的弯曲疲劳失效问题，可采取以下工艺改进措施：1. 优化材料性能：通过调整合金成分、提高材料硬度及韧性等手段，提高铝合金车轮的抗疲劳性能。

2. 改进制造工艺：优化铸造、加工及表面处理等环节，提高车轮的制造精度及表面质量。

3. 合理设计结构：根据使用需求及道路状况，合理设计车轮的结构及尺寸，以降低应力集中及提高疲劳性能。

《铝合金车轮双轴疲劳试验数值模拟研究》篇一一、引言随着汽车工业的快速发展，铝合金车轮因其轻量化、耐腐蚀性及高强度等优点得到了广泛的应用。

为了评估铝合金车轮在长期使用中的可靠性和耐久性，双轴疲劳试验成为了关键性的检测手段。

然而，传统试验方法存在成本高、周期长等问题。

因此，本文提出了一种铝合金车轮双轴疲劳试验的数值模拟研究方法，旨在为实际试验提供理论依据和优化方向。

二、研究背景及意义铝合金车轮因其优异的性能在汽车行业中得到了广泛应用。

然而，在长期使用过程中，车轮可能会受到各种复杂应力的作用，导致疲劳损伤。

双轴疲劳试验是评估车轮疲劳性能的重要手段，但传统试验方法存在诸多不足。

因此，开展铝合金车轮双轴疲劳试验的数值模拟研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

三、数值模拟方法及模型建立1. 数值模拟方法本研究采用有限元法进行数值模拟。

有限元法通过将连续体离散成有限个单元，对每个单元进行分析，从而得到整个结构的近似解。

该方法在处理复杂问题时具有较高的精度和效率。

2. 模型建立在建立铝合金车轮双轴疲劳试验的数值模型时，需要考虑车轮的几何形状、材料属性、边界条件等因素。

首先，根据实际车轮的几何形状建立三维模型；其次，赋予模型正确的材料属性，包括弹性模量、泊松比、屈服强度等；最后，设置边界条件，包括加载方式、约束条件等。

四、双轴疲劳试验过程模拟1. 加载方式在双轴疲劳试验中，车轮受到复杂的应力作用。

因此，在数值模拟中需要设置合理的加载方式，以模拟实际试验中的应力状态。

本研究采用循环加载方式，通过设置不同的循环次数和应力水平来模拟不同工况下的车轮疲劳性能。

2. 疲劳损伤分析在双轴疲劳试验过程中，车轮会受到循环应力的作用，导致疲劳损伤。

为了评估车轮的疲劳性能，需要对损伤进行定量分析。

本研究采用基于应变-寿命曲线的疲劳损伤分析方法，通过计算各部位的应变能量密度来评估车轮的疲劳性能。

五、结果与讨论1. 结果展示通过数值模拟，我们得到了铝合金车轮在双轴疲劳试验过程中的应力分布、应变能量密度等关键数据。

《铝合金车轮弯曲疲劳实验失效分析及工艺的研究》篇一一、引言铝合金车轮因其轻量化、耐腐蚀性强和良好的成形性等特点，在汽车工业中得到了广泛应用。

然而，其在实际使用中经常面临弯曲疲劳的问题，导致失效和安全隐患。

因此，对铝合金车轮的弯曲疲劳实验失效分析及工艺的研究显得尤为重要。

本文旨在探讨铝合金车轮在弯曲疲劳实验中的失效模式，并对其工艺进行深入研究。

二、铝合金车轮弯曲疲劳实验方法及设备铝合金车轮的弯曲疲劳实验主要借助专用的实验设备进行，如轮毂弯曲测试机等。

通过设定一定的加载速度、位移、循环次数等参数，模拟车轮在实际使用中的受力情况。

在实验过程中，记录下数据，包括加载力、位移、循环次数等，以及车轮的形变情况。

三、铝合金车轮弯曲疲劳实验失效模式分析经过大量的实验数据收集与分析，铝合金车轮的弯曲疲劳失效模式主要有以下几种：1. 表面裂纹：在反复的弯曲过程中，车轮表面可能出现裂纹，这是由于材料表面受到的应力超过了其承受极限。

2. 内部断裂：由于材料内部存在缺陷或应力集中现象，导致在长时间的弯曲过程中出现内部断裂。

3. 形变过大：车轮在持续的弯曲作用下，其形状可能发生永久性的变化，超过了一定的范围。

四、铝合金车轮的工艺研究针对铝合金车轮的失效模式，我们需要对其生产工艺进行优化。

主要的工艺包括材料选择、铸造工艺、热处理等。

1. 材料选择：选择具有高强度、高韧性和良好抗疲劳性能的铝合金材料。

2. 铸造工艺：优化铸造过程中的温度控制、模具设计等，减少内部应力集中和缺陷的产生。

3. 热处理：对铸造后的车轮进行适当的热处理，提高材料的性能。

五、工艺优化建议与实验验证根据上述的工艺研究，我们提出以下优化建议：1. 选择更加优质的铝合金材料。

2. 对铸造过程进行精细化控制，如优化温度控制范围、模具材料及设计等。

3. 对车轮进行适当的热处理，如淬火和回火等，提高其力学性能和抗疲劳性能。

为了验证这些优化建议的有效性，我们进行了对比实验。

《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进行有限元分析，对于提高其设计水平、优化结构、增强安全性能具有重要意义。

本文将重点探讨铝合金轮毂的力学性能及有限元分析方法。

二、铝合金轮毂的力学性能1. 强度与刚度铝合金轮毂的强度和刚度是评价其力学性能的重要指标。

铝合金材料具有较高的屈服强度和抗拉强度，使得轮毂在承受载荷时能够保持较好的稳定性。

此外，铝合金轮毂的刚度也较高，能够有效地抵抗弯曲和扭曲变形。

2. 耐疲劳性能铝合金轮毂在使用过程中需要承受周期性载荷，因此其耐疲劳性能尤为重要。

铝合金材料具有良好的耐疲劳性能，能够在长期使用过程中保持较好的机械性能。

此外，通过合理的结构设计，可以进一步提高铝合金轮毂的耐疲劳性能。

3. 抗冲击性能铝合金轮毂在行驶过程中可能会受到意外冲击，因此其抗冲击性能也是评价其力学性能的重要指标。

铝合金材料具有较好的吸能和缓冲性能，能够在受到冲击时吸收部分能量，减少对轮毂本身的损伤。

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。

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、材料属性赋值、边界条件设定等操作，可以实现对轮毂的力学性能进行仿真分析。

1. 网格划分与材料属性赋值在有限元分析中，首先需要对轮毂进行网格划分，将轮毂离散化为有限个单元。

然后，为每个单元赋予铝合金材料的属性，如弹性模量、密度、泊松比等。

这些属性将直接影响有限元分析的结果。

2. 边界条件设定与加载在有限元分析中，需要设定轮毂的边界条件，如约束轮毂的旋转自由度等。

然后，在轮毂上施加载荷，如径向力、侧向力等。

这些载荷将用于模拟轮毂在实际使用过程中的受力情况。

3. 仿真结果分析与优化设计通过有限元分析软件进行计算，可以得到轮毂在各种工况下的应力、应变、位移等结果。

基于Ansys Workbench的铝合金轮毂结构的疲劳分析徐浩【摘要】车轮是汽车上主要的运动和支撑部件,镁合金由于其具有高强度、良好的导热性、重量轻等特点,因此在当今汽车上的应用越来越多.但统计可知,轮毂仍是车辆故障的常见零件之一.本文从轮毂的实际结构出发,以Ansys Workbench有限元分析软件作为分析工具,模拟分析某家用轿车的轮毂使用情况,验证了该材料的性能满足要求的同时找出易发生故障的部位,为车辆后续维修、优化提供了理论依据.【期刊名称】《三门峡职业技术学院学报》【年(卷),期】2018(017)001【总页数】3页(P142-144)【关键词】轮毂;Ansys Workbench;疲劳【作者】徐浩【作者单位】商丘工学院机械工程学院,河南商丘476000【正文语种】中文【中图分类】U463.34随着世界范围性的环保法规的日趋严格以及人们环保意识的不断加强，汽车排放法规也越来越严，汽车重量作为影响车辆排放的主要因素之一在环保中占据的地位日益重要。

因此汽车轻量化设计已成为当今汽车行业主流的研发方向之一，轮毂是车辆行驶系中轮胎装配的基础，对轮毂进行优化设计能够有效降低整车质量[1]。

实测可知，采用铝合金材料的轮毂质量为7.852Kg，而相同尺寸下，普通材料轮毂质量为20.714Kg，以每辆车5条轮胎（含备胎）计算，采用铝合金材料的轮毂的车辆整备质量可以降低64.31Kg，占车辆整备质量的5.145%。

由《汽车用钢轻量化战略合作框架协议》可知，汽车自重每减少10%,可降低油耗6～8%,排放降低12%。

笔者选用LC4铝合金铸造成型工艺的整体式车轮为研究对象，参照汽车行业标准GB/T5334－2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》所规定的轻质合金车轮的动态弯曲疲劳性能和动态径向疲劳性能试验所要求的加载参数和试验方法[2]，利用Ansys Workbench软件对车轮的动态疲劳试验进行模拟分析，从而为车辆的优化设计、故障检测及维修提供有力的理论支撑。

基于ANSYS的汽车轮毂性能试验专用分析程序开发的开题报告1. 研究背景及意义汽车轮毂作为汽车传动部件的重要组成部分之一，直接影响着汽车的性能和安全。

为了保证轮毂的性能稳定性和可靠性，在设计和制造过程中需要进行一系列的性能试验。

而随着计算机软件技术的不断发展，利用计算机仿真技术进行轮毂性能试验已成为一种有效的手段。

现有的轮毂CAE分析软件大多只能进行静力学分析或动力学分析，缺少专用的轮毂性能试验分析工具。

本研究旨在基于ANSYS有限元分析软件，开发一款汽车轮毂性能试验专用分析程序，以提高轮毂的设计和制造效率，同时保证车辆的安全性能。

2. 研究目标本研究的主要目标如下：（1）基于ANSYS建立轮毂模型，进行CAE模拟分析，预测轮毂的性能表现。

（2）结合国内外相关标准要求，设计相应的轮毂性能试验方案，建立试验模型，进行计算机仿真。

（3）开发轮毂性能试验专用分析程序，实现试验数据分析、结果可视化和报告自动编制等功能。

（4）进行仿真分析和试验验证，评估分析程序的准确性和实用性。

3. 研究方法本研究主要采用以下方法：（1）根据轮毂的几何形态和材料特性，建立轮毂有限元模型，进行CAE分析，预测轮毂的性能表现。

（2）根据国内外相关标准要求，设计轮毂性能试验方案，建立试验模型，进行计算机仿真。

（3）基于Python语言和ANSYS APDL命令，开发轮毂性能试验专用分析程序，实现试验数据分析、结果可视化和报告自动编制等功能。

（4）通过仿真分析和试验验证，评估分析程序的准确性和实用性。

4. 研究内容和进度安排本研究的具体内容和进度安排如下：（1）文献综述和理论研究（1个月）对国内外轮毂性能试验的相关标准和技术，以及有限元分析方法进行综述和研究。

（2）轮毂有限元建模和CAE分析（2个月）基于ANSYS软件，建立轮毂有限元模型，进行CAE分析，得出轮毂的应力、变形等性能指标。

（3）轮毂性能试验仿真分析（2个月）结合国内外轮毂性能试验的相关标准和技术，设计轮毂性能试验方案，建立试验模型并进行计算机仿真。

车辆工程技术57车辆技术0　绪论 轮毂的轻量化设计有助于降低生产成本，减少汽车能耗。

刘申使用有限元方法分析了轮毂强度和疲劳寿命。

孙宏美结合轮毂的刚度和车轮弯曲疲劳寿命，对轮毂进行了优化设计。

齐铁力等人使用PETRON软件对轮毂进行了轻量化设计，降低了轮毂重量。

国外，Reisner等人以噪声，振动，粗糙度和疲劳作为目标函数优化了汽车轮毂。

Acculoot基于汽车轮毂的冲击实验，对轮毂结构进行了优化。

1　轮毂模型参数 轮毂的材料为A356，型号为16×7J，设计载荷1600LBS，根据GB/T3487-2005 J型轮辋设计标准，设计轮辋各处厚度,设计时综合考虑轮毂的受力,铸造时铝液的流动和凝固性。

靠近中心处的厚度一般在为26mm，轮缘附近厚度为21mm，安装面附近初始设计厚度为30mm。

2　优化设计计算 通过APDL语言编写的命令流程序进行优化设计，并重复执行。

将轮毂进行参数化建模，轮毂最大应力作为约束函数，选择中心和边缘厚度参数进行了优化。

对轮毂进行划分网格，设置轮毂各向同性、泊松比等参数，加载载荷。

轮毂总重量设为目标函数，因为重量与体积成正比例，密度是常数，轮毂优化的目标函数可写成: （1） 式中，S—轮毂的总重量，kg； ρ—轮毂的密度，kg/m3； V i—轮毂中各单元的体积，m3。

设置最大优化计算次数20次，轮毂最大应力要小于材料的屈服极限，即约束条件为：。

3　优化结果 列出了设计参数可知优化的结果是在第10次计算时得到的结果，轮缘的H厚度为0.3336 mm，轮毂的B厚度为0.3686 mm，对应的目标函数体积为最小，与优化前的中心体积相比体积减少419cm3，从而轮毂整体质量减少了6％，优化中心体积变化如图1所示。

图1　优化体积变化 优化后的最大应力值为190.2Mpa，分布在螺栓孔中心处，满足设计强度要求。

4　结语 基于APDL语言对轮毂进行优化设计，优化后的总质量减少6％，优化后最大应力满足设计要求。