重卡汽车轮毂结构优化设计

重卡汽车轮毂结构优化设计朱龙英，李家应江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013摘要利用WORKBENCH软件对800V20型钢制轮毂进行有限元分析。对轮毂进行弯曲疲劳试验模拟和径向疲劳试验模拟，得到轮毂的应力图和应变图。通过分析结果，得出弯曲疲劳是轮毂破坏的主要原因。利用轮毂材料强度性能，改变重卡轮毂结构尺寸来进行优化设计，以轮毂的质量为目标函数，最终达到轻量化设计。既满足了强度要求，又降低了生产成本，为企业带来经济效益。关键词钢制轮毂；有限元分析；结构尺寸；优化设计中图分类号U463343文献标志码A文章编号1674198620160500506OPTIMIZATIONSTRUCTURALDESIGNOFHEAVYTRUCKHUBZHULONGYING，LIJIAYINGSCHOOLOFMECHANICALENGINEERINGOFJIANGSUUNIVERSITY，ZHENJIANGJIANGSU212013，CHINAABSTRACTWORKBENCHSOFTWAREWASUSEDTOMAKEFINITEELEMENTANALYSISFOR800V一20TYPESTEELWHEELHUBUNDERBENDINGFATIGUETESTSIMULATIONANDRADIALFATIGUETESTSIMULATION，THESTRESSANDSTRAINDIAGRAMSOFTHEHUBWEREOBTAINEDTHROUGHTHERESULTSANALYSIS，BENDINGFATIGUEWASTHEMAINREASONFORTHEFAILUREOFTHEWHEE1USINGWHEELMATERIALSTRENGTHPERFORMANCEANDCHANGINGHEAVYTRUCKHUBSTRUCTURESIZE，THEHUBWASOPTIMIZED。THEOPTIMIZEDTARGETWASTHEWEIGHTOFTHEHUBANDTHEGOALOFLIGHTWEIGHTINGWASREACHEDSONOTONLYTHEREQUIREMENTOFINTENSITYISMET，BUTALSOTHEPRODUCTIONCOSTISREDUCEDASWELLASBRININGECONOMICALEFFECTFORENTERPRISESKEYWORDSSTEELHUB；FINITEELEMENTANALYSIS；STRUCTURESIZE；OPTIMIZATIONDESIGN0引言如今在汽车工业发展中，汽车轻量化研究技术已经成为重要课题之一。尤其在重卡行业中轻量化更是大势所趋。汽车轻量化是指在汽车已有功能满足需求前提下。尽可能地降低汽车的总质量，从而实现汽车的结构化和合理化，进而提高汽车的动力性和降低污染。根据国家统计局的数据显示到2015年，中国民用汽车保有量达到9000万辆，而商业汽车达到250万辆。可见每年汽车生产量快速增长，汽车的大量使用已经给能源和环境带来了严重的负担。研究表明大约75的油耗与整车质量有关，汽车质量每降低10，油耗下降4。由此可见降低汽车的质量就可以有效降低耗油量和CO，排放量。因此对汽车进行轻量化是有必要的，这样不仅能改善环境，而且会降低生产成本。轮毂是汽车行驶和安全性能方面重要的零部件之一并且在行驶过程中能够承受各种负载和高速产生的高温作用。一般轮毂结构设计的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。由于在不同路况受到不同载荷，设计轮毂时一定要保证它具有可靠的强度、刚度和足够的疲劳寿命这样才不会发生意外状况。文中利用分析软件WORKBENCH对800V20型钢制轮毂在弯曲疲劳试验和径向疲劳试验的载荷下进行静力有限元分析，将轮毂的质量作为优化目标，最终达到轮毂的结构轻量化设计目标。1车轮的弯曲疲劳试验分析11有限元模型的建立以800V一20型轮毂该轮毂选16MN低合金高强度结构钢作为材料，其参数见表1为研究对象，首先在PR0E环境下根据车轮二维模型如图1所示建立其三维模型，如图2所示。此轮毂结构是由有5个通风孔的轮辐、平底型轮辋和挡圈焊接而成，其尺寸参数为轮辋最小厚度为6MM，轮辐厚度为12AM。将建好的模型导入WORKBENCH中进行网格划分，为了得到精确结果。先采用自动划分再对局部结构进行细化，如图3所示。为轮毂施加边界条件时。根据弯曲疲劳试验模拟将轮毂轮辋边缘所有自由度进行全约束，如图4所示，保证在加载时轮毂是固定不动的。表116MN车轮材料特性收稿日期20160223作者简介朱龙英1962一，女，博士，教授，研究方向为机械设计理论与方法、机器人技术。EMAILLIJIAYINGLOVE163CON。研究与开发005点的参数来研究再输出或导出参数，然后通过有限的设计点拟合响应曲线。对8OOV一20型轮毂建立优化目标函数，以轮毂的质量为优化目标，改变钢板的厚度为参数来对轮毂进行了结构优化。该型号轮毂设计变量的优化结果如表2所示，可以看出迭代的过程。从表2可看出轮毂所受到的应力、变形量随轮辋的厚度逐步降低而上升。计算求出等效应力的迭代变化如图13所示。目标函数迭代过程如图14所示，设计变量迭代如图15所示。表2设计参数的迭代数据L80L75L70456789L01L12131415迭代次数图13等效应力变化图迭代次数图14目标函数迭代过程图目昌删图15设计变量与目标函数的三维关系图为了看出轮毂哪些设计变量对轮毂状态函数影响最大，利于WORKBENCH里的LOCALSENSITIVITY局部灵敏度来查看，如图L6所示。由图16可知轮辐厚