基于有限元分析的铝合金轮毂造型设计

第 31 卷第 10 期2 0 1 4 年 1 0 月机械设计JOURNAL OF MACHINE DESIGNVol.31 No.10Oct.20142014 年 10 月基于有限元分析的铝合金轮毂造型设计 *闫胜昝 1，刘伟鹏 2（1安庆师范学院 计算机与信息学院，安徽 安庆 246052；2万丰奥威汽轮股份有限公司 技术中心，浙江 新昌 523001）摘要：轮毂既是关键的承载安全件，又是整车形象的点睛之笔。 为了获得既具有承受设计载荷的能力，又能体现整车 外观造型美的铝合金轮毂，通过分析铝合金轮毂的结构特点、性能要求及造型目标，将有限元分析方法引入传统的轮毂造 型设计流程，提出了造型与结构一体化的设计方法，并以一款轮毂的设计为例，证明了该方法的可行性，及其增强产品造 型创新性，提高造型设计效率的作用。关键词：工业设计；有限元分析；轮毂；计算机辅助设计；造型中图分类号：TB47；TP391文献标识码：A文章编号：1001-2354（2014）10-0109-04DOI:10.13841/ki.jxsj.2014.10.027汽车发展过程中， 最具特色和直观感的变化是车身外形的演变。 人类审美观的变化促进了车身外形的 发展1。 轮毂的造型既要注意与车身整体外形的匹配， 又要有自身的造型设计特点，做到既有对比，又达到统 一的造型效果。同时，人类对汽车性能的要求也逐渐提 高，轮毂是充分发挥汽车性能的保障，它承受着车身与 地面的各种载荷，直接影响汽车的安全性、动力性、制 动性、乘坐舒适性和行驶平稳性。因此，轮毂结构设计的合理是设计的首要任务。而 轮毂同时作为汽车的时尚装饰部件， 其外观造型的美 观直接影响整车设计的品位和档次， 对整车外部形象 有着不可忽视的作用2。 鉴于此，轮毂的设计应在结构 设计符合标准性能要求的前提下进行造型设计， 通过 有限元分析方法实现结构设计与造型设计一体化的轮 毂设计方法， 使功能性与形式美紧密结合， 实现了技 术、功能与造型的最佳结合。1轮毂造型分析11铝合金轮毂的特点随着科技的不断进步， 汽车越来越多地使用铝合 金轮毂。 铝合金轮毂相比钢制车轮有如下 4 大特点：（1）节能。 铝合金密度低，轮毂质量轻，加工精度 高，高速转动时的阻力小、变形小，可提高汽车的行驶 性能，减少油耗。（2）安全。 铝合金的导热系数是钢的 3 倍，散热效 果非常好，可增强制动性能，提高使用寿命，保障汽车 行驶安全。（3）舒适。 一般与铝合金轮毂配用的是扁平轮胎， 其缓冲和吸震性能均优于普通轮胎， 使汽车坎坷道路 上或快速行驶时，舒适性提高。（4）美观。铝合金轮毂外观设计精美，造型多样化，!Abstract：In order to accurately grasp the consumers cogni- tive rule to product modeling image， the support vector machine model was introduced into image evaluation Taking CNC machine as an example， the image score of the CNC machine was ob- tained by conducting surveys， then its modeling elements were separated， finally， the obtained data was applied in support vec- tor machine with particle swarm optimization， then the data mod- el on product image evaluation was established To compare the accuracies of BP neural network， support vector machine with cross validation method and support vector machine with particleswarm optimization， five groups data without learning were choosed to test the models Compared with the other two meth- ods， the experimental results showed that the mean values tested by the support vector machine model with particle swarm opti- mization were closer with the value by the questionnaire， and this mothod can be used to predict the consumers image evaluation for productsKey words：product modeling design；support vector ma- chine；image；evaluation；particle swarm optimizationFig 4 Tab 1 Ref 7“Jixie Sheji”14G516* 收稿日期：2014-05-15；修订日期：2014-08-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目（61340016）作者简介：闫胜昝（1978），女，河北辛集人，讲师，博士，研究方向：工业设计、计算机辅助设计等，发表论文 12 篇。110机 械 设 计第 31 卷第 10 期可做到对比突出、车毂合一，提高整车的视觉效果。12轮毂的结构特点表 1 轮毂性能试验要求结果达到标准要求的试验项目试验条件判定条件轮毂由轮辋、轮辐、轮芯及轮毂盖、附件等组成，如图 1 所示。轮毂一方面通过轮辋与轮胎配合，另一方面 通过轮辐与车桥相连，发挥其承载、行驶、转向、驱动和 制动等作用2。冲击试验弯曲疲劳 试验径向载荷 疲劳试验装有轮胎并充气； 安装在 13试验 台上；一定质量的冲锤自一定高度 自由下落。 模拟车轮在行驶中受石 块等物体侧向冲击不安装轮胎的轮毂；承受一定的弯 矩载荷；进行旋转疲劳试验 。 模拟 车轮在行车中承受弯矩负荷装有轮胎并充气； 承受径向压力 ； 进行旋转疲劳试验。 模拟车轮在行 车中承受车辆垂直负荷无 目 测 可 见 的 穿 透 裂 纹 ； 轮 辐 不 得 从 轮 辋 分 离 ； 轮 胎 气 压 不 能 在 1 min 内漏尽达 到 标 准 要 求 的 循 环 次 数 ； 不 出 现 裂 纹 等 破坏现象达 到 标 准 要 求 的 循 环 次 数 ； 不 出 现 可 见 裂 纹 ； 能 继 续 承 受 载 荷 并保持一定气压注：每个试验中的载荷可根据标准中的公式计算得到。（a）主体部分（b）附加部分（c）组合结构图 1 轮毂结构示意其中，轮辋的设计应按照标准规定选用与整车要 求相配的轮辋规格，尤其是宽度和直径尺寸应严格按 标准检测， 以确认轮辋能否满足与轮胎的配合要求。 轮芯的设计则根据轮毂与车桥车轴上的安装 盘等安 装定位要求进行。 可见轮毂造型中最关键的是轮辐， 其造型可随意变化，无标准和规律可循。 轮辐作为轮 辋与轮芯的中间连接件，主要起到支承和传递载荷的 作用，在保证具有足够的承载、抗弯、抗冲击强度性能 前提下，其造型应具有美观、动感和时尚性。 而附件、 轮毂盖对轮毂造型美观起衬托、辅助的作用，可根据 情况适当添加。13轮毂造型设计目标轮毂造型设计应以轮毂的材质、 轮毂造型数量、 轮毂的尺寸、轮毂外观工艺的设定和输入为指导2。 结 合轮毂的结构特点、配套车型、目标客户群的审美 特 点和汽车品牌的文化特征， 确定轮毂造型设 计的目 标：（1）满足结构性能要求；（2）按车型选定车轮结构尺 寸；（3）结合品牌文化的美观造型；（4）彰显用户心理特 征；（5）可制造加工性。2造型与结构一体化设计21性能要求根据轮毂装配于整车后的功能，针对铸铝合金轮 毂各国均有相应的标准， 考虑轮毂 使用中的功 能需 求，SAE，JASO 及 ISO 等标准和我国标准主要 对轮毂 的强度及疲劳性能提出了具体要求3，轮毂制造企业 必须要对每一批制造出的产品进行 如表 1 所示的 性 能试验。22尺寸设计汽车轮毂的主要参数有胎环直径、胎环宽度、螺栓 孔节圆直径、偏距、中心孔等，一般常根据胎环直径和 胎环宽度来划分不同尺寸型号。直径和宽度通常是在整车设计方案中确定的，综 合考虑了汽车动力、自身质量及阻力等方面因素，选择 使车辆性能最优的轮毂尺寸， 轿车原车轮毂主要的直 径 尺 寸 为 381 mm （15 inch），4064 mm （16 inch） 和 4318 mm（17 inch），也有越野型轿车的轮毂直径达到 508 mm（20 inch），5334 mm（21 inch）和 5588 mm（22 inch）。 直径和宽度确定后，轮毂的轮辋部分便可根据 标准进行造型设计。螺栓孔节圆直径、 偏距及中心孔的尺寸亦由整车 设计中轮毂的安装要求确定， 从而决定了轮毂的轮芯 部分的造型要求。因此，轮毂的造型以轮辐部分的设计 为主。23造型与结构一体化设计随着计算机技术的飞速发展和广泛应用， 有限元 法已成为求解科学技术和工程问题的有力工具4。 将 有限元分析方法应用于工业产品设计， 用仿真引领设 计，改变传统仿照设计的方法，可增强产品设计的创新 性。 在轮毂的造型设计中，由于轮辐是造型的关键，也 是承受载荷的关键部位，因此，非常适合将有限元分析 的方法引入轮毂的造型设计中来， 进行造型与结构的 一体化设计。传统的轮毂造型设计， 首先进行二维造型草图设 计，设计中融入品牌文化及车型特征，经过反复在整车 模型侧面上的贴图评审确定下来； 其次进行三维模型 的构建，根据车轮尺寸设计要求构建轮辋的三维模型， 根据车轮的安装配合尺寸设计轮芯的三维造型， 主要 是根据评审确定下来的二维造型草图进行轮辐部分的2014 年 10 月闫胜昝，等：基于有限元分析的铝合金轮毂造型设计111三维模型设计，此阶段更多考虑的是外观造型；再次根 据三维数据制作油泥模型，反复调整模型，更新三维数 据， 甚至在实车上评审造型； 最后是制作硬质轮毂样 件，通常用 ABS 工程塑料，进一步检验轮毂设计的细 节，完成造型设计。之后整车厂 会将以上完 成的造型设 计提供给轮 毂供应商制作小批真实样件，通常这时轮毂制造厂在 试制生产前会对客户提供的模型进行 有限元分析 以 保证样件的试验通过率，避免直接开模、试制、试验不 通过造成的报废、修模、重新试制等过程的浪费，主要 是针对结构性能的分析。 可见，传统设计中造型设计 与结构设计是分开进行的，有限元分析并未发挥其最 大的作用，没能用于指导造型设计，因此可能会导 致 后期有限元分析验证结构设计合理性时对 前期造型 设计方案的推翻，或者独立的造型设计导致结构的安 全裕度过大，造成材料的浪费 ，不能实现最优的轻量 化设计。因此，将有限元分析提前到造型设计的过程中，一 旦二维造型方案确定， 构造出三维模型就对其进行有 限元分析，将避免一些不必要的尝试，并带来更加创新 优化的设计结果。 造型与结构一体化设计方法的流程 如图 2 所示。图 2 轮毂一体化设计流程3 案例以福特 2015 年新 款 Focus 车型 4318 mm1778 mm（17 inch70 inch）的轮毂设计为例，展示由于有限 元分析方法的引入而形成的造型与结构一体化设计方 法的应用。 轮毂造型效果如图 3 所示。图 3 轮毂造型效果采用福特产品设计通用的 IDEAS 有限元分析软 件在轮毂造型设计的各阶段对其进行有限元分析，分 析中采用 10 节点四面体单元进行网格划分，材料属性 取铝合金材料的机械性能参数，弹性模量 691010 Pa， 泊松比 033。 对 13冲击试验，根据前述试验条件，在 轮毂安装盘面及 5 个 PCD 孔锥面上施加 6 个自由度 的全约束，使车轮相对于水平 o-xy 平面旋转翘起 13， 在最高轮辋边缘向轮芯偏移 19 mm 的位置以外的轮 辋上施加载荷，冲击试验的载荷是使质量为 547 kg 的 冲击锤自 230 mm 高度落下。 弯曲疲劳试验则根据前 述试验条件，在无轮辐支撑侧的轮辋边缘施加固定约 束， 在轮芯的安装面及 PCD 孔上通过建模添加加载 臂结构，加载臂长度为 660 mm，根据试验要求的载荷 3 587 Nm 计算出加载臂末端应施加的力为 5 435 N， 根据不同的轮型结构通常根据旋转 一周的情况 选定 几个方向进行加载计算，取分析所得最危险的结果进 行评判。 径向载荷疲劳试验按前述试验条件，分析中 对轮芯的安装盘面和 PCD 孔锥面分别进行全约束，在 60夹角范围内的轮辋两侧胎圈座上分别施加呈半正 弦函数分布的径向载荷 q1 和 q2，根据试验要求径向载荷15 007 N 和轮毂尺寸参数由以下公式计算得到，并在整个外轮辋上施加充气压力 300 kPa， 同弯曲疲劳 试验，根据轮型结构选取几个位置分别加载分析，取最 危险的分析结果进行评判。径向载荷 q1，q2 表示为：q1 F （cos cos 0）2b1r12sin 0q2 F （cos cos 0）2b2r22sin 0式中：F试验要求径向载荷 ，N； b1，b2内、外轮辋胎圈座宽度 ，mm； r1，r2内、外轮辋胎圈座半径 ，mm； 0加载范围的一半 ，即 30。该型轮毂最终造型设计在三性能试验条件下的有 限元分析结果分别如图 4a，4b，4c 所示。 其中，图 4a 为112机 械 设 计第 31 卷第 10 期在以上冲击试验约束和载荷条件下的 von Mises 应力 分析结果，其最大值为 568 MPa，发生 在冲击部位 正 对的辐条根部；图 4b 为以上弯曲试验约束和载荷条件 下的 von Mises 应力分析结果， 其最大值为 105 MPa， 发生在辐条背面根部位置；图 4c 为以上径向载荷试验 约束和载荷条件下的 von Mises 应力分析结果，其最大 值为 407 MPa， 发生在无辐条支撑侧的轮辋外缘处。 铝合金材料的屈服强度为 178 MPa，根据文献3中通 过实验验证建立的分析模型和评价标准， 以上 3 个性 能试验有限元分析的 von Mises 应力最大值分别小于 70 MPa，110 MPa（30 万转）和 70 MPa（100 万转）为合 格。 从有限元分析的结果可以看出该设计可全部通过 标准要求的轮毂性能试验， 在达到造型设计的同时满 足了结构设计的要求。（a）冲击试验分析结果（b）弯曲试验分析结果（c）径向试验分析结果图 4 轮毂最终造型的有限元分析结果在结合车型特点等因素确定初步的设计方向和设 计尺寸后，首先根据标准要求的轮辋形状、尺寸进行轮 辋造型设计，其次进行轮辐的造型设计，设计中通过以 上有限元分析结果，逐步实现了轮毂的最终造型设计。4结论汽车轮毂既是汽车行驶安全的关键承重部件，又 是整车造型设计中的画龙点睛之笔， 其合理性设计尤 为重要。 在分析了汽车轮毂的功能特点与外观结构特 点及轮毂的设计流程后， 提出综合考虑结构功能性与 造型美观性的一体化设计思想， 并运用计算机辅助设 计中的有限元分析方法实现了一款轮毂产品的设计， 该方法优化了轮毂造型设计及流程， 提高了轮毂造型 设计的效率。参考文献1 宇文嘉 整车研发中的轮毂造型设计创新方法J 汽车与 配件，2013，35（9）：35392 刘真 基于整车形态的轮毂造型设计与结构分析 D 保 定：华北电力大学，20133 闫胜昝 铝合金车轮结构设计有限元分析与实验研究D 杭州：浙江大学，20084 张磊，杨秀萍，朱芋锭 有限元仿真技术在工业设计中的应 用以自行车鞍座设计为例 J 装饰，2012（3）：9597Modeling design of alluminium alloy wheel based on finite element analysis methodYAN Sheng-zan1，LIU Wei-peng2（1School of Computer and Information，Anqing Normal University，Anqing 246052，China；2Technology Center，Wanfeng Auto Wheel Co， Ltd，Xinchang 523001，China）Abstract：Wheel is not only a key safty