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。就目前来看，主流的还是铝合金轮毂。
《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。本文将针对铝合金轮毂的力学性能进行探讨，并运用有限元分析方法对其力学行为进行深入研究。
二、铝合金轮毂的力学性能
铝合金轮毂的力学性能主要表现在其抗拉强度、屈服强度、延伸率及硬度等方面。这些性能参数决定了轮毂在承受外力时的变形程度和抗破坏能力。
1. 抗拉强度与屈服强度：铝合金轮毂的抗拉强度和屈服强度是评价其承载能力的重要指标。抗拉强度表示轮毂在拉伸过程中能够承受的最大力，而屈服强度则反映了轮毂在应力作用下的塑性变形能力。
2. 延伸率：延伸率是衡量铝合金轮毂塑性变形能力的重要参数。高延伸率的轮毂在受到冲击时能够更好地吸收能量，降低破坏风险。
3. 硬度：铝合金轮毂的硬度与其耐磨性、抗冲击性密切相关。适当的硬度可以保证轮毂在使用过程中不易磨损、不易变形。 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，可用于研究铝合金轮毂在各种工况下的应力分布、变形及破坏模式。通过建立轮毂的有限元模型，可以对其进行分析和优化。
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部分结构、材料属性及边界条件等。
2. 施加载荷及约束：根据轮毂在实际使用中可能承受的载荷，如重力、刹车力、侧向力等，在有限元模型上施加相应的载荷及约束。
3. 求解及后处理：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、变形及破坏模式。对结果进行后处理，提取所需的数据及图表。
四、铝合金轮毂的力学行为分析
通过有限元分析，可以深入了解铝合金轮毂在各种工况下的力学行为。例如，在高速行驶过程中，轮毂所受的应力分布情况；在刹车过程中，轮毂的变形及应力集中情况等。这些信息对于优化轮毂设计、提高其使用性能具有重要意义。
汽车轮毂有限元分析
第⼆章理论基础与模型建⽴2.1 有限元技术及UG软件
2.1.1 有限元法基本原理
计算机辅助⼯程CAE(Computer Aid2ed Engineering) 指⼯程设计中的分析计算与分析仿真, ⽽有限元法FEM( FiniteElement Method)是计算机辅助⼯程CAE中的⼀种, 另外CAE还包含了边界元法BEM(Boundary Element Method) 和有限差分法FDM( Finite DifferenceMethod) 等。这⼏种⽅法各有其优缺点, 各有其应⽤领域,但有限元法的应⽤最⼴。
有限元法是求解数理⽅程的⼀种数值计算⽅法，是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合在⼀起的⼀种数值分析技术，是解决⼯程实际问题的⼀种有⼒的数值计算⼯具。有限元是⼀种离散化的数值⽅法。离散后的单元与单元间只通过节点相联系, 所有⼒和位移都通过节点进⾏计算。对每个单元选取适当的插值函数,使得该函数在⼦域内部、⼦域分界⾯上(内部边界) 以及⼦域与外界分界⾯(外部边界) 上都满⾜⼀定的条件。然后把所有单元的⽅程组合起来, 就得到了整个结构的⽅程。求解该⽅程,就可以得到结构的近似解。离散化是有限元⽅法的基础。必须依据结构的实际情况,决定单元的类型、数⽬、形状、⼤⼩以及排列⽅式。这样做的⽬的是将结构分割成⾜够⼩的单元,使得简单位移模型能⾜够近似地表⽰精确解【13】。
因次它可以对各种类型的⼯程和产品的物理⼒学性能进⾏分析、模拟、预测、评价和优化,以实现产品技术创新, 故已⼴泛应⽤于各种⼒学、电学、磁学及很多结合学科领域; 同时, 由于它能够处理耦合问题, 使得其有更⼤的应⽤前景。你可以从专业的⾓度理解有限元:包括变分原理、等效积分和加权余量法等, 也可以从直观的意义上理解有限元: 把连续体划分为⾜够⼩的单元, 这些单元通过节点和边连接起来,通过选择简单函数(⽐如线形函数) 来近似表达位移或应⼒的分布或变化, 从⽽得到整个连续体物理量的分布和变化【14】。2.1.2 有限元法分析过程
汽车轮毂模态分析
汽车轮毂模态分析是指对汽车轮毂进行模态建模和分析，通过分析车轮毂的固有频率和振型，可以了解车轮毂的结构特性和振动特性，为轮毂的设计和优化提供参考依据。
汽车轮毂是连接车轮和车身的关键组件，它承受着车辆的整个重量和转动力矩，因此必须具备较高的强度和刚度。同时，汽车在行驶过程中，车轮与地面之间会产生较大的冲击和振动，为了保证车辆的行驶稳定性和乘坐舒适性，轮毂还需要具备合适的振动特性。
汽车轮毂的模态分析可以通过有限元方法进行。首先，将轮毂的几何形状和材料信息输入有限元软件，建立起轮毂的有限元模型。然后，通过求解有限元模型的特征值问题，得到轮毂的固有频率和振型。
固有频率是指在某一特定激励下，轮毂自身振动的频率。它取决于轮毂的几何形状、材料性质和边界条件等因素。固有频率越高，说明轮毂的刚度越大，抗振能力越强。在实际应用中，为提高车辆的行驶稳定性，轮毂的固有频率通常应大于车轮经常发生的振动频率。
振型是指轮毂在振动过程中的形变模式，通过分析轮毂的振型，可以了解轮毂不同位置的应力分布情况。根据振型的分布，可以判断出哪些位置的应力集中，从而指导轮毂的优化设计。比如，在设计轮边形状时，可以通过模态分析找到一个合适的轮边形状，使得轮边上的应力能够得到更好的分散。
轮毂模态分析的结果通常会得到一系列特征值和特征向量，其中特征值对应轮毂的固有频率，特征向量对应轮毂的振型。特征向量包含了每个节点的位移信息和形变信息，它们是轮毂振动的关键特征。
有了轮毂的模态分析结果，可以进一步进行结构优化。比如，通过调整轮毂的材料或改变其几何形状，可以提高轮毂的固有频率，从而提高车辆的行驶稳定性。同时，可以根据振型的分析结果，局部增加材料或改变结构形式，以减小轮毂上的应力集中程度，从而提高轮毂的寿命和可靠性。
总之，汽车轮毂模态分析是汽车设计和优化中的重要环节，通过分析轮毂的固有频率和振型，可以了解轮毂的结构特性和振动特性。这为轮毂的优化设计提供了理论基础和指导。在汽车工程中，轮毂的模态分析对于提高车辆的性能和安全性非常重要。在实际工程中，通过有限元分析方法，可以得到车轮毂的模态参数，包括固有频率、振型和模态质量等。这些参数对于轮毂的设计和优化具有重要的指导意义。
