某汽车铝合金轮毂的有限元分析

胡汉春　陈晨　许星月　王清清　尹宗军　苏蓉

摘 要：轮毂是车辆承载重要部件，因为它起到承载整个汽车重量的作用。为了使铝合金轮毂的外观造型和结构设计时需满足安全和使用功能的要求，文章利用CATIA软件进行建模及三维分析软件ANSYS对轮毂力学进行分析，即对轮毂进行静力分析和模态分析，为汽车铝合金轮毂的优化提供理论依据。

关键词：轮毂;ANSYS;静力分析

中图分类号：U463.343  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）03-106-03

前言

汽车车轮是车辆承载重要部件，其不仅受载重力，还承受因车辆启动、制动时扭矩的交互作用，以及行驶过程中转弯、冲击等来自各个方向的不规则受力。整车的安全性和可靠性很大程度取决于所装车轮的性能和使用寿命。世界发达国家在汽车新产品的开发设计中普遍采用了CAE技术，当前国内汽车铝合金轮毂作为汽车安全性要求最高的部件，张国智以有限元分析软件ANASY和三維软件为工具，建立了与轿车铝合金实际的弯曲疲劳实验，径向疲劳试验，冲击试验相等效的统一，规范，完善的有限元模型，为轮毂设计开发人员提供了重要的设计依据。张晨光使用机械三维绘图软件MDT（Mechanical Desktop）进行铝合金轮毂设计，建立轮毂图形库，已验证有限元分析结果。本文利用CATIA软件进行建模及三维分析软件ANSYS对轮毂进行分析，为轮毂设计提供依据，提高轮毂的强度和使用寿命。

1 轮毂的三维建模和有限元分析

在CATIA软件采用创成式曲面设计平台进行轮毂建模，如图1所示。

铝合金轮毂的三维模型转化为有限元模型。运行ANSYS软件对轮毂模型进行结构修改，删除一些不必要的线和点，修改后的模型要达到ANSYS软件分析要求，如图2所示。

1.1 有限元模型建立

（1）划分网格：ANSYS Workbench中Mesh程序可对有限元模型进行网格划分，高阶的单元越接近模型的结构曲线，一般简单模型选择低阶次单元。采用四面体自动划分网格，划分后形成39144个单元和20727个节点，如图3所示。

（2）轮毂约束及边界条件设置：

静力学分析：1）约束方式，轮毂螺栓孔平面添加约束，约束所有自由度使轮毂不能产生旋转运动。2）负荷方式：给轮辋面施加径向载荷，方向指向轮毂中心，大小为F=6000N。

模态分析：1）约束方式，螺栓孔添加全约束。2）负荷方式：轮缘周边施加弯矩M=2680 Nm，螺栓孔施加预紧力F=25000N。3）边界条件：在制定边界条件时，充分考虑轮毂汽车上的受力情况，轮毂受到的压强为2.5个大气压，为0.25Mpa，方向指向轴心。

（3）将轮毂的有限元模型载入ANSYS软件中：轮毂的材料为铝合金，材料参数：质量密度为2770kg/m3、泊松比为0.33，弹性模量为7.1E+10Pa，体积模量为6.9608E+10Pa切变模量为2.6692E+10Pa。

1.2 轮毂的静力分析

在制定边界条件时充分考虑轮毂汽车上的受力情况，轮毂受到的压强为2.5个大气压，为0.25Mpa，方向指向轴心，轮毂的约束为螺栓孔全约束。由图4可以看出，轮毂在2.5个大气压下，轮毂连接处产生的最大应力为5.0021Mpa。

位于轮辐与轮辋连接处产生最大应变，大小为7.1×10-5，如图5所示。

轮毂由于螺栓产生松动使轮毂产生轴向轻微移动，总变形量为0.009mm，如图6所示。

1.3 轮毂的模态分析

下面要对轮毂进行模态分析，进行轮毂的六阶模态的分析，得到的轮毂的振动云图。

图7所示为一阶模态图，其固有频率为124.75Hz，可以看出轮毂外圈在上下摆动。

图8所示为二阶模态，振动频率为124.76Hz，轮毂外圈在左右摆动，由于轮毂为轴对称零件，因此前两阶模态频率基本一样。

图9所示为三阶模态，振动频率为217.48Hz，轮辐沿中心轴向左右摆动。

图10所示为四阶模态，振动频率为225.46Hz，轮辐向内变形。

图11所示为五阶模态，振动频率为323.93Hz，轮毂已经开始扭曲。

图12所示为六阶模态，振动频率为385.95Hz，轮毂扭曲加剧且轮毂向螺栓孔外侧移动。

2 结论

采用CATIA软件绘制轮毂的三维模型。同时，采用ANSYS workbench对轮毂进行静力分析和模态分析。结果表明由于轮辐的条数较少，导致轮辋支持面承受载荷能力弱，且轮辐为了美观设计了凹槽，使用材料减少，虽然看起来美观时尚，但削弱了轮辋的抗压抗冲击的能力。

参考文献

[1] 张晨光.铝合金轮毂的造型设计与结构分析[D].河北工业大学， 2000.

[2] 张国智.轿车铝合金轮毂台架试验的有限元数值模拟[D].燕山大学， 2005.

[3] 邢志媛.基于有限元分析的铝合金轮毂结构设计及差压铸造研究[D].南京理工大学， 2009.

[4] 韦辽，李健.铝合金轮毂轮辐轻量化分析[J].机械研究与应用， 2013 （12）.

[5] 张荣鑫，于诗瑶，魏泽明.HJ309铝合金轮毂的优化设计与性能分析[J].机械与电子， 2016（12）.