基于有限元法的汽车轮毂强度分析

汽车轮胎的有限元阐述有限元分析法在对汽车轮胎力学结构进行分析之时，使研究工作达到了巅峰的阶段，这一分析方法在应用之时把汽车轮胎看作各向异性连接体，轮胎的构造与材质得到了简易的分析，同时能够将与轮胎相关的信息整体地呈现出来，进而完成对起初轮胎性能推测的目标。

目前有限元分析法在轮胎的充气形状和应力、载荷—位移曲线、接地面积和形状、轮胎的滚动阻力以及侧偏特性等方面都得到了广泛的应用，且取得了良好的应用效果。

1 汽车轮胎结构力学非线性有限元分析1.1 建设有限元汽车轮胎模型众所周知，汽车轮胎在地面运行的状态为滚动，在计算量上应用初始构形会产生很多弊端。

而有限元分析法的使用对轮胎模型进行建设之时有效地应用轮胎滚动构性这一参考构形，此时三维实体单元模拟的组成元素为以下种类：轮胎、轮惘及刚性路面；汽车有限元模型的建立健全，把轮胎运动的形式细化为刚体滚动和纯变形两类；而接触单元模拟成为表示轮胎与地面之间的相互作用的效果；胎面花纹沟被省略的同时细化网络将汽车轮胎接触区域周边的面貌呈现出来；三维超弹性模拟应用在轮胎胎面橡胶上；使用三维复合材料单元模拟的对象主要是胎体帘布层、带束层和冠带层；六面体八节点等参元模拟用于建设汽车轮胎结构；对于以上一切的单元，其均具有变形能力强、高硬度的特征。

1.2 对汽车轮胎承载部件受力情况的分析应用有限元分析法对195/651R489H型号的高速轿车子午线轮胎垂直加载这一工作状况下的结构进行分析。

因为汽车轮胎在垂直载荷的作用下，此时轮胎自体与地表接触时不是轴对称这是必然的结果，那么此时与轮胎相接触的地面区域势必会产生复杂多变的应力，且发生无规则的形变。

有限分析法在应用之时发现在接触底的中心轮胎胎体帘布层无应力产生，而当汽车轮胎与接地中心背离之时胎体帘布层受到了拉应力的作用，并且在接触区域的始末端拉应力的数值是最大的；有限元分析法在对汽车轮胎的带束层进行分析之时，发现其并不是在轮胎接地内、外区域均受到拉应力的作用，在接地区域内部其只受压应力，而产生压应力最大的位置依然是汽车轮胎接地区域的中心，并且轮胎第一带束层接地中心的压应力远远小于第二带束层，在接地区域的其他范围内第一、二带束层所受的压应力值基本一致。

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。

基于有限元法的轮毂成形工艺对比张建新;周敏;周玉峰【摘要】This experiment compared processing plans for forming of a certain type of hub. The numerical simulation and the experimental research of the forming process of hub were conducted under different conditions to analyze the influ-ence of the forming process on stress distribution, strain distribution, metal flow velocity, forming load and internal organi-zation. The results showed that the forming load for workpieces at 800 ℃ by closed die forging was low, and under this condition, the internal organization was granular pearlite, the mould structure was simple and the mechanical properties of the internal organization were better than those of the widmanstatten under the conditions in the other two processing plans. In conclusion, the closed die extrusion and the closed die forging have differences in the equivalent stress, the equivalent strain, the metal flow velocity and the internal organization. The simulation result is instructive for the choice of the actual production process.%目的：对比某型号轮毂成形的工艺方案。

技术与实践154 / INDUSTRIAL DESIGN 工业设计有限元分析技术在汽车轮毂设计中的应用研究APPLICA TION RESEARCH OF FINITE ELEMENT ANAL YSIS TECHNOLOGY IN AUTOMOBILE WHEEL HUB DESIGN长春工业大学　李明　朱宝对需要仿真分析的几何结构数据进行几何清理，将几何特征进行适当的简化并划分成合适的网格，根据不同的几何结构可以选择不同的单元类型进行仿真，单元类型可以分为壳单元（Shells ）、实体单元（Solids ）、梁单元（Beams ）。

给处理好的网格定义材料属性，并根据真实的试验情况施加约束、载荷和工况（尽可能的接近实际试验状态）；(2)数据分析。

选用合适的数值求解器（不同的求解器对网格划分的要求不同）对处理好的网格数据进行求解计算；(3)计算结果后处理。

根据处理后的数据几何结构的可靠性进行评估，并对风险项进行优化设计；(4)再次验证。

对优化后的FEA 模型再次数据分析，验证优化后的设计方案是否规避了风险并且合理可靠。

有限元技术可以应用在工业生产过程中，比如工业产品零部件的强度分析，分析各部件在使用工况下是否满足材料的强度极限，提前发现风险点并进行优化改良，使得产品更加安全可靠。

现在，各大汽车制造企业都成立了自己的CAE 分析部门。

有限元分析技术已经成为汽车研发制造过程中不可或缺的一部分。

有限元技术可以在乘用车研发过程中主要有以下几个方向的应用：(1)结构分析，如白车身弯曲刚度分析、扭转刚度分析、安装点强度分析；(2) CFD 分析，如整车流场分析，发动机舱热流场分析；(3) NVH 分析，如动刚度分析、震动噪声分析等；(4)碰撞安全分析，如乘用车碰撞模拟实验、约束系统匹配分析、行人保护分析。

其中，轮毂作为汽车的重要承载部部件，其结构的可靠性极其重要。

2传统设计方法与有限元分析设计方法的对比分析2.1传统轮毂设计方法流程及其存在的问题在传统汽车轮毂设计过程中造型设计和结构设计是分开进行的。

重型汽车轮毂的有限元分析及优化设计摘要：目前，重型汽车轮毂主要用钢铁作为主要材料，而由于轻合金材料价格原因，重型轻合金轮毂材料使用很少。

轮毂是汽车上重要的安全性能零部件之一，在行驶过程中承受各种负载和高速产生的高温作用。

所以轮毂的结构设计好坏直接影响汽车在行驶过程中安全舒适性和操纵稳定性，本文主要以重型汽车轮毂为研究对象，对重型汽车轮毂的有限元分析及优化设计进行了探讨。

关键词：重型汽车轮毂；有限元分析；优化设计一、重型汽车轮毂选材1.选择轻合金材料在汽车行业中镁合金材料也已经开始被人们开始关注，因为它具有许多优点：（1）重量较轻、耗油量少节省能源。

由于其密度为1.74g/cm3相对钢重量来说，是钢轮重量的四分之一。

（2）具有降低噪声和减缓震动作用。

由于镁合金材料具有良好的阻尼系数，在行驶中有效的减震、降噪，给驾驶者一个平稳性，相对于铝合金和钢制材料驾驶时感觉更舒适。

（3）精度高。

由于镁合金材料具有良好的物理属性、化学属性以及尺寸稳定性，镁合金轮毂的制造精度高于钢轮，所以在高速行驶下可以保持很好地稳定性。

（4）散热效果好。

汽车在行驶时由于轮胎与地面接触摩擦会产生大量的热量，而镁合金材料的传热系数比钢制材料大近三倍，且制动片不易老化，所以行驶时镁合金轮毂相对来说散热较快，增加了安全系数。

（5）外形美观。

但是由于本文以重型汽车为研究对象，镁合金在塑造性差，后期制造加工困难和实验周期长，所以镁合金不易于作为重型汽车轮毂材料。

而铝合金车轮早已在汽车上为主要的使用材料，今后铝合金车轮的应用也是必然趋势。

无论是外形还是工业上，铝合金轮毂都象征整车档次，多变的车轮轮辐形态也为越来越多的人们所喜爱。

2.选择钢制材料根据《中国汽车轮毂行业市场现状及投资前景预测报告》显示，从2016年起，我国钢制轮毂在车配套需求量将超过16000万件，虽然铝合金生产量大于钢制轮毂但用在商用车上钢制占三分之二具有明显优势。

（1）易焊接，制造工艺简单。

科学技术创新2020.29汽车轮毂设计工作开展时，需综合考量汽车轮毂的美观性与可靠性，确保汽车轮毂达到国家行业设计标准。

为提升汽车轮毂设计工作整体水平，可合理应用有限元分析技术，开展汽车轮毂仿真模型试验，对汽车轮毂结构、材料、强度等进行优化，保证汽车轮毂设计工作的可靠性。

鉴于我国汽车保有量的不断攀升，汽车生产工艺不断提升，为实现轻量化节能设计目标，需对汽车轮毂设计方式进行合理创新。

1有限元分析在汽车工程领域的应用结构分析：应用有限元分析技术，可实现对复杂的汽车发动机零部件、汽车变速器壳体、车身和汽车轮毂的结构进行校核与优化，同时分析其相应的弯曲刚度、材料强度、扭转刚度析等；碰撞安全分析：为保证汽车轮毂具有一定可靠性与安全性，可基于有限元技术开展汽车碰撞实验，对行人保护系统、约束系统进行可靠性评估，判断汽车轮毂的整体安全性与可靠性。

CFD 分析：该种分析工作，主要是对整车流场进行评估分析，评估发动机舱热流场的实际变化规律，保证整体运行安全性与可靠性；NVH 分析：该项分析工作，主要对汽车的动态刚度与震动噪声进行分析，基于有限元分析技术对汽车轮毂设计方案进行合理优化，提高汽车运行的整体舒适度与安全性[1]。

2有限元分析技术在汽车轮毂设计中的应用研究2.1汽车轮毂设计问题解析通过对前人的汽车轮毂设计工作进行解析可知，汽车轮毂设计工作开展阶段，轮毂结构设计与造型设计独立开展，如汽车企业依据汽车设计造型进行车辆轮毂造型设计，在汽车轮毂的设计造型通过审核后，建构对应的三维模型，确保汽车轮毂造型与车身融为一体。

而后依据审核通过的造型设计要求，开展后续的轮毂结构设计工作，由于轮毂造型设计的局限性，使得结构设计无法达到预期安全要求。

为保证汽车轮毂设计方案的可靠性，达到国家标准的要求，需对汽车轮毂结构设计方案进行反复修改处理，不仅增加了汽车轮毂结构设计工作量，同时升高了结构设计方案的风险性，使得汽车整体生产制造受到影响，不利于车企整体运营管理。

华侨大学本科毕业设计论文摘要题目：基于UG的“凤舞”汽车轮毂三维建模及有限元应力分析摘要现今的汽车车轮设计是汽车造型设计中一个不可遗漏的重点，车轮不仅要满足承重、通风（制动器散热）的需要，而且车轮造型直接关系着汽车车身设计的品位和档次。

因此，如何进行车轮的造型设计，如何设计出有风格特色和审美情趣的车轮已成为车轮制造厂和设计者们最关心的问题，眼下越来越多的新技术正逐渐被应用到车轮的设计和开发上来。

轮毂是车辆行驶系的主要部件之一，是汽车与地面之间的传力元件，起着承载、转向、驱动、制动等作用。

近年来，随着车速的提高，轮毂的性能成为直接影响汽车制动安全性、操纵稳定性、行驶平顺性等重要指标的关键因素．美国一份关于卡车事故的研究报告指出：在1588 起事故中，有33 .5％是“车轮、轴承和轮胎”组件的失效所造成的，其中轮毂紧固件又占了很大的比额。

事故原因归于轮毂的部分是如此之大，因此就有必要对轮毂的强度和刚度进行研究。

本课题通过对中国传统文化的研究，归纳轮毂造型设计的要素，原则及其方法；并将其融合到汽车轮毂的造型设计中，从汽车造型的基本特征入手，结合视知觉心理学及工业设计美学，融入中国传统文化元素，进行具有中国特色的轮毂造型设计；运用UG三维建模及有限元分析技术,分析结构，进行模拟实验，以期设计出造型与结构一体化的具有中国特色的汽车轮毂。

本课题主要研究课题如下：1.模拟车轮径向疲劳试验，确定合适的载荷及边界条件。

2.模拟车轮弯曲疲劳试验，确定合适的载荷及边界条件。

综上所述，本课题对车轮的造型结构设计及其结构的应力分析方面进行了研究，为设计出具有中国特色的轮毂并检验其性能提供了依据。

关键词：中国元素UG 有限元疲劳仿真AbstractThe modern automobile wheel design is a missing focus in automotive design , the wheel not only to meet the needs of load-bearing , ventilation (brake cooling), and the wheel shape is directly related to the quality and grade of the car body design . Therefore, how the design of the wheel , how to design a unique style and aesthetic appeal of the wheel has a wheel manufacturing plant, and the designers are most concerned about , and now more and more new technologies are gradually being applied to the design of the wheel up and development .Wheel vehicle department one of the main components of the force transfer between the components in the car with the ground, and plays a role in carrying, steering, drive, brake. In recent years, as the speed increases, the performance of the wheel has become the key factor of a direct impact on automotive braking safety, handling and stability, an important indicator of driving and ride comfort. The study reported that the U.S. with a truck accident: in the 1588 accident, 33.5% is caused by the failure of the wheels, bearings and tire components, wheel fasteners accounted for a large scale . The cause of the accident is attributed to the part of the wheel is so large, so it is necessary to study the strength and stiffness of the wheelThis issue through the study of traditional Chinese culture , summed up the wheel design elements , principles and methods ; and integrated into the design of the car wheels , starting from the basic characteristics of the automotive styling,combined with the visual perception psychology and industrial design aesthetics, into the elements of traditional Chinese culture with Chinese characteristics for the wheel designing ; using UG three-dimensional modeling and finite element analysis technology to analyze the structure, conducting simulation experiments in order to design the car wheels.with the integration of style and structure with Chinese characteristics,.The main subject of research topics are as follows:1. Analog wheel radial fatigue tests to determine the appropriate load and boundary conditions .2. Analog wheel bending fatigue test to determine the appropriate load and boundary conditions.In summary, the wheel shape structure design and stress analysis of the structure, the subject of study for the design of the wheels with Chinese characteristics and provides a basis to test its performance.Keywords : Chinese elements UG Finite element Fatigue Simulation目录第一章绪论 (1)1.1课题的研究目的和意义 (1)1.2国内外研究的现状及发展趋势 (2)1.3研究内容 (5)1.3.1研究内容 (5)1.3.2. 课题创新点 (6)第二章理论基础与软件介绍 (7)2.1有限元法原理 (7)2.1.1有限元法概述 (7)2.1.2 弹性力学基本方程 (7)2.2.3结构有限元分析过程 (8)2.2 UG NX软件简介 (10)2.3本章小结 (11)第三章凤舞汽车轮毂的结构设计 (12)3.1凤舞汽车轮毂的结构设计 (12)3.1.1整体造型 (12)3.1.2轮辋 (12)3.1.3轮辐 (15)3.2 汽车轮毂模型的建立 (176)3.3本章小结 (15)第四章凤舞汽车轮毂的径向疲劳分析 (12)4.1 UG NX7.5静态结构分析 (18)4.2车轮径向疲劳试验 (19)4.2.1车轮径向疲劳试验简介 (19)4.2.2车轮径向载荷计算 (20)4.3 凤舞汽车轮毂径向疲劳仿真过程 (21)4.3.1材料参数 (21)4.3.2网格划分 (21)4.3.3载荷和约束 (22)4.4轮毂有限元结构结果分析 (24)4.5本章小结 (29)第五章凤舞汽车轮毂的弯曲疲劳分析 (30)5.1车轮弯曲疲劳试验 (30)5.1.1车轮弯曲疲劳试验简介 (30)5.1.2车轮弯曲载荷计算 (31)5.2车轮弯曲疲劳试验模型的建立 (31)5.2.1建立车轮弯曲疲劳试验几何模型 (31)5.2.2建立车轮弯曲疲劳试验有限元模型 (31)5.2.3施加边界条件及载荷 (32)5.3求解计算及结果分析 (34)5.4本章小结 (37)第六章结论与展望 (38)6.1主要结论 (38)6.2工作展望 (38)参考文献 (40)致谢 (42)附录：凤舞汽车轮毂CAD图 (43)第一章绪论1.1课题的研究目的和意义本课题研究的目的是：（1）学习和掌握UG软件的3D建模、有限元分析功能；（2）针对实际工程结构，完成其3D几何建模、网格划分、强度分析，熟悉UG软件的相关功能；（3）综合运用所学专业知识，独立完成工程结构件的强度分析。