摘要：针对铝合金轮毂有限元分析模型中的应力集中和强度富余情况，利用ANSYS软件对其进行结构优化，使其应力分布更加合理，达到了提高材料的利用率和减轻自重的目的。优化后的轮毂通过了弯曲疲劳试验、径向疲劳试验和冲击试验，且试验结果与有限元分析结果基本吻合，从而论证了该轮毂研发途径的可行性。
关键词：铝合金轮毂；结构优化；疲劳试验；ANSYS软件
铝合金轮毂具有质量轻、散热性好、缓冲和吸震性好、造型美观、易加工、耐腐蚀等优点，能够降低油耗，并提高车轮的寿命。但国内铝合金车轮普遍存在设计周期长，制造成本高等问题。在设计阶段采用有限元分析技术，可以较早发现产品在设计中存在的潜在缺陷并及时修改，不仅可以缩短产品的试制周期，而且能提高产品的可靠性。本课题以工程应用为目的，基于ＡＮＳＹＳ软件，对铝合金车轮毂进行了模拟仿真及结构优化，旨在获得质量轻、强度高的铝合金轮毂。
1轮毂有限元分析
轮毂有限元分析时，只考虑试验工况下产生的结构应力的作用。在行驶过程中，轮毂支撑整个车身，因此，在有限元分析时要考虑支撑和载荷的影响，所受载荷主要有弯矩载荷、紧固螺栓对轮毂产生的预紧力和高速旋转时轮毂产生的径向载荷。以弯矩载荷为例，使用ANSYS软件中的Functions功能，对轮辋侧面半圆周施加载荷。经过ANSYS后处理，可以得到轮毂应力云图和轮毂应变云图，可看出，轮毂应力分布不均匀，虽然由于加载方式的影响，在轮辋的部分地方产生应力集中，但最大的应力出现在轮毂中轮辐和轮辋的连接部分。最大应力值为110MPa，远远小于铝合金材料的许用屈服强度[σ]=240MPa。因此，轮毂强度富余程度很高，存在着进一步优化的潜力。
2铝合金轮毂结构优化
利用ANSYS优化分析理论中参数化优化方法，对铝合金轮毂结构尺寸进行优化设计。在满足轮毂强度和刚度使用条件的前提下，采用求解轮毂质量最小的设计方案。结构优化中包括设计变量、状态变量目标函数等数学概念。
2.1铝合金轮毂结构优化
轮毂结构优化时，设计变量是轮辐和轮辋的板厚，约束条件为有限分析时每个单元设计应力必须小于材料许用应力，且应尽可能地降低每个单元上的设计应力，目标函数即是轮毂结构的质量形最小化，目标函数形为：
利用ANSYS软件的优化分析功能，确定轮毂设计变量的取值范围，设置优化时约束条件的范围，以质量最小为优化目标，定义好最大优化次数后，再次利用ANSYS软件进行优化分析，最后读出结构优化结果。
2．2铝合金轮毂优化分析
满足约束条件的前提下，可以看出，结构优化前、后轮毂轮辋的厚度变化不大，但轮毂轮辐的厚度减小很多，从18mm减小到10mm，而且优化后铝合金轮毂质量减轻了1．259kg。从优化后的铝合金轮毂的应力、应变云图可看出，应力起伏减缓，更加均匀，结果显示最大应力值依然出现在轮辐与轮辋连接的边缘处，其值为159MPa，小于铝合金材料的许用应力240MPa，且在试验强化系数S=1．5时允许的应力值160MPa的范围内。
3优化后轮毂试验分析
轮毂在工作中被破坏主要是以强度破坏和疲劳破坏为主，而统计数据表明，80％以上的轮毂破坏是由疲劳破坏引起的，所以，轮毂的疲劳性能是轮毂质量的重要指标。根据国家标准（GB／T15704—1995）和汽车行业标准（QC／T221—1997）的强制规定，铝合金轮毂在装配汽车之前，必须要进行三项强度试验，即：弯曲疲劳试验、径向疲劳试验和冲击试验，并且试验时，单只轮毂只能做一次试验，每次试验只使用一只轮毂。
3．1弯曲疲劳试验
铝合金轮毂弯曲疲劳试验将模拟汽车行驶转弯时轮毂受力状态川。在轮毂疲劳试验台设有一个旋转装置。当被测轮毂所受的载荷达到规定受测载荷时，开始计算旋转轴旋转转数。当达到规定的循环次数后，停止测试。试验过程中，要求在试验循环次数达到之前，加载点的偏移量不能超过初始全加载偏移量的20％。弯曲疲劳试验弯矩M为：
式中：M为弯曲疲劳试验弯矩，N•m；μ为路面和轮胎间的摩擦因数，初定为0．7；R为汽车制造厂或轮毂制造厂规定的该轮毂配用的最大轮胎静载荷半径，m；d为轮毂的内偏矩或外偏矩，取绝对值，按轮毂规定，m；F为轮毂最大的额定载荷，由轮毂工厂或汽车制造工厂确定，N；S为试验强化系数。
取下被测轮毂，用渗透探伤中的着色法观察其破坏状况，可以看出，被测轮毂没有产生裂痕或断裂，但在轮辋和轮辐连接区域，出现了线状深色的痕迹，且该痕迹的长度明显小于三倍痕迹宽度，故该区域并未出现裂纹等缺陷。该试验结果表明，此被测轮毂通过了弯曲疲劳试验，但轮辋和轮辐连接区域的破坏概率仍不容忽视，该区域是被测轮毂的最大应力集中位置，此试验结果与有限元模拟结果一致。
3．2径向疲劳试验
轮毂径向疲劳试验机通过驱动转鼓给被测轮毂施加恒定不变的径向载荷，并保证驱动转鼓轴线和被测轮毂轴线相互平行，且在同一平面内，所加载荷方向与驱动转鼓中心、被测轮毂中心在一条直线上。被测轮毂用规定使用的螺栓、螺母进行装配，且所用螺母拧紧到规定转矩极限值。试验过程中要周期性地检查和调整螺母的转矩，以补偿螺母和螺栓孔配合面的磨损，螺栓、螺母不允许润滑。径向疲劳试验的径向载荷Fr为：
式中：F为所加载的径向载荷，N。
取下被测轮毂，用渗透探伤中的着色法观察其破坏状况，可以看出，被测轮毂没有产生裂纹或断裂现象，该试验结果表明，此被测轮毂通过了径向疲劳试验。
3．3冲击试验
铝合金轮毂冲击试验测试角度有13o、30o和90o等。其中，测试角度为13o和30o的冲击试验是模拟汽车行驶中轮毂受到外力侧向撞击的效果；测试角度为90o的冲击试验是模拟汽车行驶的道路上突然出现突起物或凹陷时，撞击的反作用力对轮毂的撞击效果。以13o测试角度为例，将被测轮毂装载上符合规定的试验轮胎，且轮胎输入一定的测试胎压。试验前，冲击重锤和试验轮毂轮缘的最高点之间的距离为230±2mm，且其冲击面刃缘圆角和轮毂轮缘吻合。试验过程中，冲击重锤以自由落体的方式撞击轮毂轮胎，且测试完成后，保证冲击重锤压在轮毂上。试验冲头质量m为：
式中：m冲头质量，kg；G为轮胎最大的额定载荷，由轮毂工厂或汽车制造工厂确定，kg。
取下被测轮毂，观察其冲击试验结果，可以看到，在轮毂的表面未出现裂纹。
结语
1）利用ANSYS软件对铝合金轮毂的结构进行优化，在满足轮毂结构安全的前提下，较好地解决了轮毂强度富余问题。
2）结构优化后铝合金轮毂轮辋的厚度变化不大，但轮辐的厚度减小很多，从18mm减小到10mm，且优化后的铝合金轮毂质量减轻了1．259kg。
3）对结构优化后的轮毂进行弯曲疲劳试验、径向疲劳试验和冲击试验，利用着色渗透方法观察试验结果，被测轮毂并未发生裂纹或局部断裂等失效形式，使轮毂达到安全性和轻量化的统一。
4）在弯曲疲劳试验结果中，轮辋和轮辐连接区域出现了线状深色的痕迹，且该痕迹的长度明显小于三倍宽度，这表明该部位经受住高强度循环载荷，虽然没有出现裂纹或局部断裂等失效形式，但该部位破坏概率仍不容忽视，是该轮毂最大应力集中的位置，此试验结果与有限元模拟结果是一致的。
参考文献：
［１］赵玉涛．铝合金车轮制造技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１４．
［２］武海滨，闫绍峰，倪登利．铝合金轮毂的有限元分析［Ｊ］．辽宁工程技术大学学报（自然科学版），２０１２，２９（２）：２８２－２８４．
［３］ 郄彦辉．铝合金车轮的结构分析及优化［Ｄ］．天津：河北工业大学，２０１３．
论文作者:姚红军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/5
标签：轮毂论文; 铝合金论文; 应力论文; 载荷论文; 疲劳论文; 轮辐论文; 结构优化论文; 《基层建设》2019年第4期论文;