馬 波

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于HyperWorks的某輕卡輪輞總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬 波

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章針對輪輞總成開裂問題，通過Catia三維建模軟件進(jìn)行建模，利用HyperWorks建立某輪輞總成有限元分析模型，對輪輞模型進(jìn)行靜強(qiáng)度分析；通過有限元分析結(jié)果，對不同設(shè)計(jì)方案強(qiáng)度進(jìn)行對比，找出最優(yōu)方案，為設(shè)計(jì)員優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

輪輞；HyperWorks；強(qiáng)度

CLC NO.:U463.342Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-12-03

引言

根據(jù)市場反饋，某輕卡輪輞市場開裂故障較多，主要故障模式為通風(fēng)孔與螺栓孔連接處開裂（如圖1），初步分析為輪輞強(qiáng)度不足，需要對輪輞強(qiáng)度進(jìn)行校核。對車輪總成強(qiáng)度校核，常規(guī)方法是依據(jù)GB/T5909 《商用車輛車輪性能要求和試驗(yàn)方法》開展臺(tái)架性能試驗(yàn)，該方法不能準(zhǔn)確反映出輪輞的強(qiáng)度大小。本文通過三維建模采用 HyperWorks有限元分析軟件，模擬輪輞受力情況進(jìn)行強(qiáng)度分析，依據(jù)分析結(jié)果選擇優(yōu)化方案。

圖1 市場故障圖片

1、方案設(shè)計(jì)及三維模型建立

市場故障件開裂位置主要在通風(fēng)孔位置，通過現(xiàn)場調(diào)查，現(xiàn)有產(chǎn)品通風(fēng)孔處尺寸、材料及表面加工質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求，初步分析為此處強(qiáng)度不足，故需要提升通風(fēng)孔處強(qiáng)度?？紤]行業(yè)輕量化要求，排除增加料厚的方案，以改變通風(fēng)孔處結(jié)構(gòu)提高強(qiáng)度為主要出發(fā)點(diǎn)，形成以下兩種方案：一是減小通風(fēng)孔尺寸，二是將通風(fēng)孔處截面結(jié)構(gòu)由“C型”改為“S型”，改變通風(fēng)孔受力方式，具體方案如下：

1.1 通風(fēng)孔尺寸優(yōu)化方案

縮小通風(fēng)孔尺寸，可能會(huì)影響制動(dòng)散熱功能，故參考某競品成熟車輪通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)尺寸，將現(xiàn)有通風(fēng)孔尺寸減?。?/p>

現(xiàn)有通風(fēng)孔尺寸

新設(shè)計(jì)通風(fēng)孔尺寸

1.2 截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

根據(jù)通風(fēng)孔處受力分析，考慮將通風(fēng)孔處截面結(jié)構(gòu)由“C型”改為“S型”：

“C型”

“S型”

1.3 三維模型建立

方案一 方案二通風(fēng)孔減小 通風(fēng)孔減小+截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2、HyperWorks有限元分析

2.1 CAE分析工況

依據(jù)GB/T5909 《商用車輛車輪性能要求和試驗(yàn)方法》，應(yīng)用hyperowrks模擬車輪總成動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)。結(jié)合車輪實(shí)際受力情況及臺(tái)架試驗(yàn)方法（如圖2），確定CAE分析工況：

（1）將輪輞底部夾緊固定在一平面上；

（2）將輪輻與試驗(yàn)機(jī)輸出軸（以下簡稱輸出軸）連接，安裝方式及尺寸應(yīng)與車輛實(shí)際安裝形式一致（包括定位方式、與輪轂接觸面積等）；

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

（3）在一規(guī)定距離處（力臂）施加一平行于車輪安裝面的力（即90°加載法）。

（4）按下列公式確定彎矩 M（力×力臂）：M=(μ·R＋d)·Fv·S

式中，M—彎矩，單位為N·m。

μ—輪胎與路面間設(shè)定的摩擦系數(shù),取0.7。

R—車輪或車輪制造商規(guī)定的該車輪配用的最大輪胎的靜態(tài)負(fù)荷半徑；

d—車輛的內(nèi)偏距或外偏距；

Fv —車輛或車輪制造商規(guī)定的車輪額定負(fù)載值。在此選所用輪胎的最大單胎負(fù)荷，即（1500×9.8）N。S—強(qiáng)化試驗(yàn)系數(shù)，取1.10。

計(jì)算的 M=(0.7×0.383+0.119)×1500×9.8×1.1=6259.4 N.m其中，可將（0.7×0.383+0.119）=0.3871m設(shè)為力臂長度，在catia中車輪中心線下側(cè)距輪輻平面0.3871m創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)，作為受力主點(diǎn)，將其用RBE2與6個(gè)通風(fēng)孔的REB2中心點(diǎn)相連；

施加力：F=M/L=16170N，施加載荷方向沿螺栓孔方向。

（4）材料：輪輻實(shí)際材料為BG380CL，輪輞為12LW，分析時(shí)均設(shè)為一種材料，抗拉極限為380～480MPa。

（5）網(wǎng)格：采用三維網(wǎng)格，網(wǎng)格大小1.2。

2.2 hyperwoks有限元分析

2.2.1 導(dǎo)入IGS模型及網(wǎng)格劃分

將轉(zhuǎn)化好的IGS格式模型導(dǎo)入HyperMesh，并劃分3D網(wǎng)格，網(wǎng)格大小1.2。

圖3 3D網(wǎng)格劃分

2.2.2 附材料屬性

將B380CL材料屬性附加到三維數(shù)模中，具體信息如表1：

表1 材料參數(shù)

圖4 附材料屬性

2.3 創(chuàng)建約束

為了簡化分析模型并進(jìn)可能模擬實(shí)際疲勞性能試驗(yàn)情況，將6個(gè)螺栓孔用RBE2與載荷施加點(diǎn)進(jìn)行剛性連接，同時(shí)將輪輞下邊緣進(jìn)行全約束，充分模擬輪輞動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)工況。

圖5 螺栓孔及輪輞邊緣約束

2.4 施加載荷及應(yīng)力分析

圖6 原方案應(yīng)力分布圖

根據(jù) 2.1計(jì)算載荷 F值，在模型中進(jìn)行添加，并運(yùn)用Radioss求解器進(jìn)行應(yīng)力分析，得到三種模型通風(fēng)孔處應(yīng)力幅值，如表2所示。

表2 各模型通風(fēng)孔處最大應(yīng)力值對比

通過 CAE對比分析，兩種方案相比原方案強(qiáng)度均有提升，方案二通風(fēng)孔處應(yīng)力值最小，強(qiáng)度提升約20%，因此將現(xiàn)有結(jié)構(gòu)按方案二進(jìn)行優(yōu)化提升。

3、總結(jié)

本文運(yùn)用 HyperWorks有限元分析軟件，通過模擬動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)方法進(jìn)行三維模型受力情況分析，根據(jù)不同方案分析結(jié)果，為設(shè)計(jì)人員提供依據(jù)，最終選擇方案二作為優(yōu)化方案。與傳統(tǒng)方法手段相比較，HyperWorks有限元分析可以節(jié)約大量時(shí)間和試驗(yàn)成本，可以作為輪輞總成強(qiáng)度校核的一種有效方法。

[1] 陳家瑞.《汽車構(gòu)造》[Z].機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[2] 王鈺棟,Hypermesh&Hyperview《應(yīng)用技巧與高級實(shí)例》[z].機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[3] GB/T5909-2009《商用車輛車輪性能要求和試驗(yàn)方法》[S].

Structural optimization design of a light truck rim assembly based on HyperWorks

Ma Bo
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

The rim assembly cracking problem,modeling by Catia three-dimensional modeling software,using HyperWorks to establish a rim assembly model of finite element analysis, the static strength analysis of rim model, through the finite element analysis results,comparing the progress of different design schemes,to find out the optimal plan, provide the basis for the designer to optimize the product structure.

Rim; HyperWorks; Strength

U463.342

A

1671-7988 (2017)06-12-03

馬波，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.004