铝合金车轮结构优化研究 译文（罗云）

2010信息工程国际学术会议铝合金车轮结构优化研究Zhihua Zhu, Jinhua Hu, 孙红梅Xiaoming Yuan, Huixue Sun 钱江学院机械工程学院 杭州师范大学燕山大学 中国 杭州中国 秦皇岛 Email: Email: 文摘-车轮的优化设计实施摘要. 环刚度有限元模型，首先建立车轮 13-度冲击强度有限元模型和弯曲有限元分析模型。综合考虑车轮冲击强度和弯曲疲劳强度对环刚度的影响。将约束变量法优化程序 OPTIII 基于检测技术应用于优化计算。结果表明，OPTIII 有高的收敛速率及轻量化设计车轮可以实现基于优化设计方法。关键词-最优化；车轮；有限元I 概述优化设计是一种设计方法，即：在给定载荷的影响或环境条件，选择设计变量。建立目标函数，得到在约束范围内性质最优的产品状态，几何尺寸之间的关系或其它状态。设计变量、约束条件和目标函数构成了优化设计的三个基本要素。数学模型编程的方法成功用于优化设计始于1960年。一些基本的程序已被用于优化铝合金车轮。2003年 HAkbulut 在土耳其研究结构优化的车轮冲击试验条件，他选择关键节点位移作为设计变量，观察设计变量如何随着结构应力变化而变化，应用分析结果来指导设计结构安全的车轮。在2007年，孙红梅建立了汽车轮基于约束变量指标优化算法的结构优化设计模型，综合考虑了边缘环刚度、弯曲应力和车轮振动模式。该结构优化设计的铝合金车轮研究将轮毂厚度作为设计变量，车轮轻量化作为目标函数。2009年，周家福在 ANSYS中利用零级优化方法，在弯曲饰演的条件下以车轮为对象，采用复合材料优化轻质结构尺寸设计车轮轮缘厚度，安装法兰厚度和轮廓的车轮，已达到轻量化设计的目的。经优化设计的复合材料的车轮弯曲疲劳试验，应力、应变和位移变化不大但重量减少了10.436%。综上所述、由于复杂的铝合金车轮结构，车轮优化设计研究在海内外都比较少，近年来，车轮结构优化设计研究显著增加。车轮轻量化设计的优化设计已经成为研究热点。本文综合考虑了车轮的刚度，冲击强度，和车轮的弯曲应力，建立了车轮边缘刚度的有限元模型，13度冲击强度有限元模型和单独的有限元分析模型。选择轮辋 和轮辐 的厚度作为设计变量，上述轮辋刚度 ,最大主应力 和1w2 KRmax1S轮辐 的最大应力计算模型作为约束变量，车轮体积 作为目标函数。在约maxS TOV束变尺度法优化程序 OPTIII 的基础上对检测技术的应用进行了论述。II 基于 OPTIII 的优化设计A.模型(1) 环刚度有限元模型计算环刚度有限元模型计算如图1所示；该模型共有68765个单元和115931个节点图1. 车轮的刚度分析有限元模型(2) 13度冲击强度实验的有限元模型图2 车轮冲击力分析的有限元模型图3 车轮弯曲疲劳分析的有限元模型13度冲击强实验有限元模型如图2所示。该模型是对真实模型的简化。（3）弯曲疲劳强度分析的有限元模型弯曲疲劳强度分析的有限元模型如图3所示；该模型有41017个单元，69641个节点。B. 边界条件和载荷优化计算这部分综合介绍了三种分析模型，即：刚度计算模型，13冲击强度计算模型和弯曲疲劳强度计算模型，这三种分析模型有不同的边界条件和加载方式，分别描述如下：（1）刚度计算模型的边界条件和载荷在法兰联轴节内圆加载固定约束、向车轮外轮缘加载1000N 的载荷（2）13冲击强度计算模型的边界条件内法兰表面固定约束，和冲击力影响区域。（3）弯曲疲劳强度计算模型的边界条件和载荷利用车轮的对称性，对称面加对称的约束，车轮外轮缘加固定约束，在轴上加1565N 的径向载荷。C. 优化过程首先分析环刚度，建立模型如图1所示：考虑弹性变形的情况，使用1000N 的力，得到外缘受力方向的最大位移，然后乘以5可得到最大位移方向边缘载荷5000N，代入（1）式可以得到边缘刚度，使它成为第一约束变量的优化计算。刚度计算公式如下： (1)152FLKR其中， 轮辋刚度RL轮辋宽度F负载变化从1000N 到5000N边缘载荷1000N 时最大变形位移1边缘载荷5000N 时最大变形位移5第二步是分析13冲击强度测试，删除约束和载荷的刚度计算步骤。然后在轮辐和冲击影响区加固定约束，分析冲击强度下得到车轮最大主应力，设置该值为第二个约束变量的优化。第三步是弯曲分析，首先将两个以前的模型参数保存，然后删除两个计算模型，之后调用保存的参数建立弯曲模型，如图3所示；通过计算，对轮辐的等效应力在给定的最大弯曲应力范围内，使用这个值为第三约束变量的优化最后进入优化分析模块，指定设计变量和约束变量，设计变量包括轮辋厚度和轮辐厚度 ，从上述模型中计算出轮辋刚度 ，最大主应力 和轮辐1w2RKmax1S的最大应力计算模型作为约束变量，车轮体积 作为目标函数，选择二次maxS TOV编程方法子问题运算法则进行优化计算，其它优化计算的实例可以参考文献【6】约束变量设置如下， 大于或等于100KNm, 小于或等于230 ，RKmax1SMPa弯曲应力小于或等于 80 .axSMPaD. 分析结果 优化数学模型(2)80231.minaxSKtsVRTO优化结果显示在表1，其中 单位是 KNm, 和 的单位是 ，RKmax1SMPa和轮辐 的单位是 ， 单位是 ，SV 表示设计变量，OBJ 表示目标函w2mTOV3数。TABLE I 基于 OPTIII 的优化过程SET RKax1S1w2TOV1 114.4 186.9 60.7 5.00 25.00 3.75e62 98.5 256 75.3 4.87 22.61 3.52e63 99.9 226.6 74.7 4.73 23.56 3.58e64 100.1 230.2 76.5 4.76 23.41 3.58e65 95.95 231.9 78.5 4.76 23.42 3.57e6*6* 100 229.5 76.5 4.75 23.43 3.57e6在表 I 中，第2组，3组、 4组和5组是不可行的解决方案，拿第2组来说，是256 并不满足条件小于等于230 ， 同样如此，98.5 不满max1SMPMPaRKMPa足要求的大于等于100 ，其余解决方案是可行的，其中第 6组是最优方案。a表1表明约束变量优化程序 OPTIII 需要6个迭代收敛域，ANSYS 子问题最优算法也一样，需要8个迭代结果都是一样。由于文章篇幅的限制，ANSYS 所得结果的详细信息被省略。因此 高度收敛。IOPT第6组最优解收益率是： %5.4103748.0518 TOV因此基于优化设计可实现轻量化设计车轮，III.结论本文中环刚度有限元模型，首先建立了车轮13-degree 冲击强度有限元模型和弯曲分析的有限元模型。对环刚度的影响，综合考虑冲击强度和弯曲疲劳强度对车轮的影响，然后进入优化分析模块，建立优化分析模型。基于检测技术的约束变量法程序 在优化设计中有做介绍。结果表明， 有很高的收敛速度IOPT IOPT和基于优化设计可以实现轻量化设计车轮。参考文献【1】工程结构优化设计基础 程耿东 北京 水利水电出版社 1984,1123.【2】基于有限元分析的汽车轮结构优化设计 崔胜民 杨占春 机械工业出版 2001 (9): 4143【3】铝合金车轮轻度分析和优化设计 Tieli Qi, Lihui Chun, Haipeng Li, Zhige Zhou. 河北科技大学 2002,31(5):9598【4】铝合金汽车车轮的优化设计 cad/cam Haipeng Li, Lihui Wang.2003(8):3735【5】基于 FEA的车轮结构形状优化设计 阎胜昝 童水光 钟翠霞 朱训明 王树山期刊：机械设计 2009, 26 (1): 5355【6】基于 ANSYS的低压铸造铝合金轮毂的优化设计 曲文君 期刊：制造业自动化 2009,31 (9): 199200【7】轮缘优