摘 要：針對汽車輕量化的需求，以某款轎車的鋁合金輪轂為研究對象，利用ANSYS軟件進行參數(shù)化建模和有限元分析，計算并分析了不同輪輻數(shù)量和輪輻厚度對輪轂最大變形量和等效應力的影響，并從中選出滿足使用要求的輕量化優(yōu)化方案，對后續(xù)輕量化設(shè)計工作具有實用意義和借鑒作用。

關(guān)鍵詞：ANSYS 鋁合金輪轂 輪輻 輕量化

1 引言

汽車輪轂是支撐輪胎，緩沖外界沖擊，實現(xiàn)輪胎與路面的接觸，保證車輛的行駛性能的圓柱形金屬部件。汽車在行駛中，車輪與地面的相互作用力，以及使汽車運動的力矩都是通過輪轂來實現(xiàn)的。因此輪轂的強度大小是汽車穩(wěn)定、可靠運行的重要因素[1]。

輕量化趨勢是未來汽車的必然選擇，而研究汽車輪轂的輕量化設(shè)計，也必須考慮到其機械性能能否滿足要求[2]。如閆龍龍[3]通過減小輪轂尺寸、使用輕質(zhì)材料、采用計算機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計等方式實現(xiàn)了輪轂的輕量化。武海濱等[4]結(jié)合鋁合金材料特性，利用有限元分析技術(shù)，計算出輪輻的最佳厚度和兩個輪輻之間的最佳角度范圍，減輕了輪轂的重量。王俊峰等[5]探討了碳纖維材料在汽車輕量化設(shè)計中的應用。本文以某款轎車的鋁合金輪轂進行研究，利用有限元分析軟件ANSYS建構(gòu)了鋁合金輪轂模型，計算出不同輪輻數(shù)量和厚度條件下的應力分布，通過強度分析，圍繞鋁合金輪轂的結(jié)構(gòu)和工藝等方面展開輕量化設(shè)計。

2 汽車輪轂簡介

輪轂主要由輪輞、輪輻、偏距、輪緣與槽底構(gòu)成。輪輞與輪胎裝配相配合，支撐輪胎的車輪部分；輪輻與車軸輪轂實施安裝連接，支撐輪輞的車輪部分。輪轂組成部分如圖1所示。

目前市場上的汽車輪轂主要分為3種：鋼制輪轂、鋁合金輪轂以及鎂合金輪轂。鋼制輪轂在市場上已不多見，大部分適應用于卡車或必須承載重量較大的車輛所使用，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)強度高與耐沖擊性良好，但缺點是重量重；鋁合金輪轂以鋁合金為基本材料，并適當加入各種金屬元素，如：錳、鎂、鉻等元素，鋁合金輪圈除了在造型上更加多變外，還具有形性好、質(zhì)量輕，具有可回收等一系列優(yōu)點，對減輕車身重量、節(jié)能減排都有著很大的影響；鎂合金輪轂在汽車上的使用并非最近才出現(xiàn)的，是近幾年來汽車市場上較為少見的產(chǎn)品，碳纖維輪圈具有高強度低重量的物理特性，同等體積的碳纖維強度為鋼制輪轂10倍，重量卻僅有鋼制輪轂的1/4，但制造成本也比傳統(tǒng)工藝高許多，且目前無法量產(chǎn)化，因此目前只有頂級轎車或跑車才會使用。就目前來看，主流的還是鋁合金輪轂。

3 有限元模型的分析

3.1 ANSYS軟件

ANSYS是CAE軟件中的一種，具有國際化、先進性和通用性這三大特征，其功能十分有用且強大。本文中所使用的有限元素分析軟件為ANSYS Workbench 16.0，其功能主要可分為三個階段模塊，分別為前處理模塊、分析求解器與后處理模塊。

3.1.1 前處理模塊

首先，依照研究要求選擇結(jié)構(gòu)分析的模態(tài)，并將完成設(shè)計之CAD模型匯入到分析模態(tài)中，接下來定義模型的材料機械性質(zhì)，根據(jù)不同的材料性質(zhì)與靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析的需求輸入相關(guān)參數(shù)，設(shè)定其密度、泊松比與彈性模量等，之后進行網(wǎng)格元素的劃分。軟件提供產(chǎn)生網(wǎng)格的方式可分為直接法與自動生成法兩種，其中直接法是沒有經(jīng)過建立實體模型的程序，直接產(chǎn)生節(jié)點與元素；而自動生成法則是利用現(xiàn)有的實體模型外觀，由軟件自動計算網(wǎng)格的大小與分布情形，故本研究使用的是自動生成法產(chǎn)生網(wǎng)格，不僅可省略復雜網(wǎng)格的編排，亦可有效縮短網(wǎng)格運算時間，最后依照測試條件進行接觸與邊界條件設(shè)定。

3.1.2 分析求解器

完成各項邊界條件的設(shè)定后，即可由計算機輔助分析來執(zhí)行求解，在求解過程中，將透過計算機來運算力學方程式及數(shù)學矩陣，若分析為線性問題，則只需進行一次矩陣計算；但若是非線性問題，則必須經(jīng)過相當龐大的運算次數(shù)，此時，所切割的元素越多，有限元素分析所求出的解將會趨于近一個定值，此即為有限元素模型是收斂的正確解，亦為可以信任的解，但元素愈多的同時，計算機的CPU與內(nèi)存運算就會愈大，雖然收斂性視為分析的必要性，但也必須考慮分析所使用的計算機性能與時間兩者之間的衡量。

3.1.3 后處理模塊

經(jīng)由計算取得分析結(jié)果后，可依照上述設(shè)定所求解的內(nèi)容進行整理與分析，一般而言，結(jié)構(gòu)強度分析所顯示的結(jié)果，不外乎重視其等效應力、變形量與應力集中位置等數(shù)據(jù)的探討，可透過計算結(jié)果以圖形色階及圖表來顯示值線、梯度、向量與變形等數(shù)據(jù)，最后將分析結(jié)果的圖形、表格及曲線圖等數(shù)據(jù)輸出為報告，即完成有限元素分析流程。最主要的目的是當產(chǎn)品模型設(shè)計完成后，經(jīng)由計算機仿真輔助分析來求解各元素節(jié)點的位移與應力等物理量后，不僅可以初步了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)受到負載后的物理 變形與力學性能，亦可設(shè)計變更出具有可行性與合理性的產(chǎn)品，大大縮短產(chǎn)品的生命周期且節(jié)省開發(fā)成本。

3.2 有限元模型的建立

本文以某款轎車的鋁合金輪轂為研究對象，在軟件ANSYS中導入三維輪轂模型（如圖2），并對該模型進行簡化，僅保留輪轂的基本尺寸結(jié)構(gòu)，以便更好地符合ANSYS軟件的分析要求。

在對輪轂模型進行分析研究時，將4個螺栓孔和中心孔6個內(nèi)表面施加固定約束。材料按實際使用的鋁合金ZL101A-T6進行設(shè)置，材料屬性如表1所示[6]。由于輪轂的形狀復雜，采用自動生成法劃分網(wǎng)格，顯示節(jié)點數(shù)量為：286204、元素數(shù)量為：158083，輪轂網(wǎng)格的劃分如圖3所示。施加輪轂載荷700kg于輪轂中心的四個螺栓孔-Y 方向處，換算為6864.7N的負載荷重。

3.3 有限元分析

輪轂加載后，利用ANSYS軟件進行計算，得到輪轂的等效應力及發(fā)生變形的位移量，如圖4所示。由分析圖中可觀察到輪轂最大變形量多集中于輪圈PCD左上方之外圍處（紅標處）；最大等效應力則發(fā)生于輪輻挖空之尖角處（紅標處）。從結(jié)果中可以看出產(chǎn)生：原始鋁合金輪轂（5支輪輻、輪輻側(cè)面厚度21 mm）強度皆滿足安全性，且仍有相當大的空間。輪轂在受車重的負荷下，最大變形量約計為0.013mm、最大等效應力約為8.6MPa，遠低于母材的屈服強度246MPa，且應力值仍在彈性區(qū)內(nèi)，因此，仍有可優(yōu)化的空間。

4 模型輕量化設(shè)計及分析

4.1 輕量化設(shè)計方案

優(yōu)化輪轂重量是汽車輕量化的必要手段。輪轂的優(yōu)化必須在在不改變結(jié)構(gòu)強度和剛度的情況下，對輪轂采用有限元分析方法進行仿真，用以實現(xiàn)輪轂的輕量化優(yōu)化設(shè)計[7]。

為了減輕輪轂整體的重量，本文盡可能地節(jié)省輪轂在制造時的材料體積，進而達到節(jié)能減排與輕量化的目的，同時不致使輪轂整體產(chǎn)生造型不佳及結(jié)構(gòu)強度的問題，達到成品設(shè)計優(yōu)化的成果。由于汽車輪轂在輪緣與中心螺絲固定位置為輪胎及傳動軸互相配合的區(qū)域，皆為標準尺寸故不易變動外型。因此，本文主要針對輪輻的數(shù)量與外型作為減重的設(shè)計區(qū)域，其減重方式主要分為兩個部分：其一是減少輪輻的數(shù)量，由原樣的五支輪輻減為四支與三支輪輻；其二則是減少原版鋁合金輪圈的輪輻側(cè)面厚度，主要參考市面上多款輪轂的輪輻厚薄度設(shè)計，以及應裝配要求來調(diào)整輪轂的內(nèi)部空間，由原本的21mm減少至15mm，其設(shè)計亦可間接增加制動盤與內(nèi)部結(jié)構(gòu)在裝配時的使用空間。如圖5所示。

4.2 輕量化設(shè)計后的分析結(jié)果

按上述方案對輪轂模型進行重構(gòu)，分別將原模型調(diào)整為：5幅輪轂（輪輻厚度15mm）、4幅輪轂（輪輻厚度21mm）和4幅輪轂（輪輻厚度15mm）。按相同受力參數(shù)加載后，得到輪轂的等效應力及發(fā)生變形的位移量，如圖6、圖7和圖8所示。分析圖顯示最大變形量依序為0.026mm、0.017mm及0.032mm；最大等效應力依序為13.9MPa、9.6MPa及14.8MPa。其中5幅輪轂（輪輻厚度15mm）模型的最大變形位置與最大等效應力位置集中于輪轂PCD左上方外圍處（紅標處）及輪輻挖空之尖角處（紅標處）；4幅輪轂（輪輻厚度21mm）模型的最大變形量集中于輪圈中間下方處、PCD外圍處（紅標處），最大等效應力則同樣發(fā)生于輪輻挖空之尖角處（紅標處）；4幅輪轂（輪輻厚度15mm）模型最大變形量集中于輪圈中間PCD外圍上方處（紅標處），最大等效應力則同樣發(fā)生于輪輻挖空之尖角處（紅標處）。

以上三種模型分析結(jié)果，如表2所示。就變形量而言，三個模型的應力值均在彈性區(qū)內(nèi)，因此，變形量的變化并不納入考慮，但等效應力的變化則比較明顯。從屈服強度、變形量與最大應力作用點的要求出發(fā)，4輻輪轂（輪輻厚度15mm）的設(shè)計較能符合減重目標，該設(shè)計模型在靜態(tài)負荷滿足屈服強度的要求下，與原始輪轂整體重量7780g相比，可有效減重約8.6%，合計約670g。所以從靜態(tài)分析結(jié)果看，對輪輻的數(shù)量和輪輻側(cè)面厚度相組合的輕量化方案是可行的，分析結(jié)果可作為后續(xù)動態(tài)分析、碰撞分析的比較結(jié)果研究。

5 結(jié)語

本文針對目前市面上常見的汽車鋁合金輪轂，在不改變結(jié)構(gòu)強度、剛度及變形量的情況下，采用ANSYS有限元分析軟件對輪轂進行建模分析與輕量化優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后，輪轂的質(zhì)量從7780g 減輕到7110g，總計在質(zhì)量上輕化了670g。本文的研究為節(jié)約生產(chǎn)成本、降低車身質(zhì)量及油耗及后續(xù)的動態(tài)分析提供了一定的參考。

參考文獻：

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[3]閆龍龍.汽車輪轂輕量化方法研究[J]. 科技風，2019（6）：158.

[4]武海濱，閆紹峰，儀登利.鋁合金輪轂的有限元分析[J].遼寧工程技術(shù)大學學報（自然科學版），2010版2010，29（2）：282-284.

[5]王俊峰，馬祥林，張興龍，等.碳纖維在汽車輕量化中的應用[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2015（2）：20-22.

[6]魏啟金，吳云波，盛曉菲.ZL101A-T6合金力學性能分析及斷口[J].科技創(chuàng)新與應用，2020（01）：116-117.

[7]劉貽華.基于有限元分析的轎車輪轂輕量化設(shè)計[J]. 專用汽車，2022（9）：30-33.