基于ANSYS的FSEC赛车后轮毂优化设计*

梁绍臻，阳林，陈德升，利仁滨，骆文星



基于ANSYS的FSEC赛车后轮毂优化设计*

梁绍臻，阳林，陈德升，利仁滨，骆文星

（广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006）

FSEC赛车后轮毂承受复杂的交变载荷，结构的合理关系到赛车和车手的安全。文章通过ANSYS软件对后轮毂在几个不同的赛道工况进行有限元分析，发现原设计存在应力集中等问题。基于分析得出的轮毂的等效应力云图、等效应变图及总变形云图，对原设计进行结构优化。优化后的设计实现了更合理的应力分布，轮毂质量降低了超过15%，并且满足赛车轻量化要求。

FSEC赛车；轮毂；优化设计

前言

旨在推动中国大学生赛车文化发展，中国大学生方程式汽车大赛规则委员会参考了国际相关赛事的规则，发布了2019年的比赛规则[1]。尽管动态测试项目规则基本没变，但组委会对于通用部分与电车部分的规则作出了不小的改动。方程式赛车需要在动态测试项目中频繁切换加速、制动、转向等工况，车轮承受着复杂的交变载荷，为此车轮系统需要有足够的强度应对各类恶劣的工况。赛车后轮毂承担赛车的重量，与半轴配合，连接悬架与轮胎，是车轮总成中不可或缺的部分。分析各种在动态项目中可能遇到的工况，为提升赛车性能提供依据。为了在动态测试项目获得更好的成绩，本文基于ANSYS的有限元分析，分析赛车后轮毂在动态项目中可能遇到的各种工况，验证轮毂的强度、变形量，并根据结果进行后轮毂的结构优化。

1 FSEC赛车轮毂设计思路

FSEC大赛是大学生组建车队制造纯电动方程式赛车，并完成相应的静态和动态测试。FSEC赛车动态项目包括直线加速、8字绕环、高速避障、耐久及效率测试，赛车在动态项目中遇到工况可分为以下5种：转向工况、加速工况、制动工况、转向制动工况和转向加速工况。其中，转向工况产生侧向力及因载荷转移引起载荷变化，制动、加速工况是加速度和惯性引起载荷变化，转向制动工况和转向加速工况是以上三者的复合工况。为提高动态项目的成绩，所制造的FSEC赛车需具备克服各种频繁切换高速工况的能力。赛车在转向工况中由于荷载的转移而更容易产生的疲劳破坏，本文将重点分析转向制动、转向加速等工况。轮毂与轮辋、制动盘、轴承等多个零部件相配合，并承受复杂的交变载荷[2]。相对于前轮毂，赛车后轮毂受力情况更为复杂，起着传递赛车动力的作用，设计出满足强度要求的轮毂才能保证赛车、车手的安全，因此本文选定赛车后轮毂作为研究对象。为方便赛车快速安装与拆卸，本后轮毂设计将会使用集成化轮毂结构[3]。

2 FSEC赛车后轮毂静力分析

2.1 建立有限元模型

根据选用的轮毂轴承的尺寸，以及与制动盘的配合关系等，设计出后轮毂的基本造型，并在CATIA软件完成三维建模。进行有限元分析之前，对原三维模型进行简化处理，去除螺纹、倒角等特征，以提高软件运算的效率。模型以stp的格式导入ANSYS，在Designed Modeler模块中对模型进行圆面合并、切割的预处理，以便于载荷施加和网格划分，同时分割出轴承安装面，如图1所示。

材料选用7075-T6铝合金，杨氏模量E=72GPa，泊松比=0.33，抗拉强度=540MPa，屈服强度=455MPa。

图1 后轮毂初步模型

2.2 划分网格

由于后轮毂结构形状相对规则，通过Design Modeler中Slice操作切分规则圆柱体等，采用Workbench的multizone多区域扫掠型划分网格，生成规则的六面体网格[4]。分析结构应力分布情况，针对销轴孔、制动盘安装位置不断细化网格，最终确定网格设置。整体网格尺寸1.0mm，关闭高级尺寸功能，Relevance等级为50，Relevance Cente等级为Fine，Smoothing等级为High，Transition等级为Fast，Span Angle center等级为Coarse。在应力集中的销孔等关键部位，采用Sizing中的Face sizing 细化网格，Elememt sizing为0.5mm，其余设置默认不变。生成网格质量比较均匀，网格平均畸变度为0.18，在细化网格的过程中不存在应力不收敛的情况，可认为该网格设置较为合理，整体网格模型如图2所示。

图2 后轮毂网格划分结果

2.3 设置边界条件

如图3所示，在行驶中，后轮毂会在球笼孔与球笼接触面受到扭矩，安装轴承面受到两个载荷，四个销轴孔受到一个向上的力；转弯时，轮毂与轮辋贴合面还会受到轴向力；制动时，制动盘安装圆弧面受制动力矩。

图3 后轮边三维装配示意图

根据整车参数及加速度分析结果，可计算出上面上述几种赛车工况后轮毂所受的支持力、侧向力、摩擦力，利用理论力学的知识可以求出力矩，进而算的轮毂轴肩所受径向力，由此确定最终的边界条件。此处省略相应边界条件的计算过程，并仅以转向加速过程为例作简要介绍，其他工况的计算类似。算得转向加速过程需要施加的载荷Bearing load：

Force：

Moment：

G处：M=650

约束条件如表1所示

表1 转向加速过程载荷约束条件

最终设置完边界条件的情况如图4所示。

2.4 轮毂有限元仿真及分析

通过对轮毂的有限元模型进行仿真，可得到五种不同工况下的轮毂的等效应变云图、等效应力云图和安全系数云图[4]。如图5、6、7所示，后轮毂初始设计最大变形量为0.05mm，发生在加速时的轴承安装面；最大应力126MPa，且应力较为集中，发生在加速时的球笼孔处；最小安全系数3.99，发生在加速时的球笼孔。其次，后轮毂最大应力较小，最大变形量较小，安全系数较大，销轴安装处，制动盘安装处以及轴承安装位置都比较安全。可见原设计比较保守，为了实现赛车轻量化，后轮毂可作进一步结构优化。转弯制动、制动工况的安全系数达到8.6，变形量低至0.013mm，故后面的迭代分析将忽略这两种工况。

图5 加速工况下轮毂应变云图

图6 加速工况下轮毂应力云图

图7 加速工况下轮毂安全系数云图

3 后轮毂结构优化

基于上述的有限元分析，对原有后轮毂的设计进行优化，将轮辋安装法兰处结构改为四段圆弧形，厚度从14mm减为12mm，轴承安装处厚度从4.5mm改为4mm。对改进后的后轮毂进行有限元分析，仅考虑转向加速、转向及加速工况下后轮毂的受力情况，进而得到优化后的后轮毂等效应力云图、等效应变云图和安全系数云图，如图8、9、10所示。

优化后的赛车后轮毂最大变形量为0.09mm，发生在加速工况轴承安装面。同样在加速工况，轮毂所受最大等效应力148MPa，出现在球笼安装孔处。改进后的轮毂最小安全系数为3.39，相对于原先设计，轮毂结构更为合理，应力分布也更适宜，符合设计要求，满足强度要求，具体可参考表2。后轮毂初始设计质量为925g，经过改进后，质量减为762g，共减重163g，减重超过15%，达到了轻量化的目的。

表2 后轮毂结构分析对比

图9 优化后转弯制动下轮毂应力云图

图10 优化后转弯制动下轮毂安全系数云图

4 结论

以FSEC赛车后轮毂为研究对象，通过ANSYS软件，设置网格和相应的边界条件，模拟各种赛车工况，建立轮毂有限元模型，对生成的等效应力云图、等效应变云图和总变形云图进行分析，发现原设计存在应力集中等问题。针对分析结果，对原轮毂设计进行结构优化并重验证，改进后的轮毂疲劳强度满足赛车工况要求，同时质量降低了15%。

[1] 中国大学生方程式汽车大赛规则委员会.2019中国大学生方程式大赛规则第一版[R].北京:中国汽车工程学会.

[2] 王慧芳,龙思远,朱姝晴.铝合金轮毂的有限元分析及结构优化[J].特种铸造及有色合金,2015,35(01):30-32.

[3] 陈楠楠,阳林,钟云耀,叶磊.FSAE赛车集成化轮毂的设计与校核[J].机械与电子,2015(11):38-42.

[4] 焦洪宇,夏叶,赵荣,范丽颖.基于ANSYS Workbench的汽车铝合金轮毂弯曲疲劳强度有限元分析[J].汽车实用技术,2018(22):40-42.

Optimization Design of Rear Wheel Hub of FSEC Racing Based on ANSYS*

Liang Shaozhen, Yang Lin, ChenDeshen, Li Renbin, Luo Wenxing

( GuangDongUniversity Of Technology, Guangdong Guangzhou 510006 )

The rear wheel hub of the FSEC racing car is subjected to complex alternating loads, and the structure is reasonably related to the safety of the car and the driver. This paper uses ANSYS software to carry out finite element analysis on the rear wheel hub in several different track conditions, and found that the original design has problems such as stress concentration. Based on the analysis of the equivalent stress cloud map, equivalent strain map and total deformation cloud map of the hub, the original design is optimized. The optimized design achieves a more reasonable stress distribution, reduced hub quality by more than 15%, and meets the lightweight requirements of racing cars.

FSEC racing; wheel hub; optimized design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.026

U462

A

1671-7988(2019)10-73-03

U462

A

1671-7988(2019)10-73-03

梁绍臻，硕士研究生，广东工业大学，研究方向：方程式赛车关键技术，无人驾驶汽车关键技术。阳林，博士，教授，硕士生导师，广东工业大学，研究方向：方程式赛车关键技术，电动汽车关键技术。

国家级大学生创新创业训练计划项目。项目编号：201811845004。