1、交通與汽車工程學(xué)院課程論文說明書課 程 名 稱: 車輛工程專業(yè)工程技能實(shí)踐 課 程 代 碼: 題 目: 汽車輪轂的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì) 年級(jí)/專業(yè)/班: 2011級(jí)車輛工程汽電1班 學(xué) 生 姓 名: 黃應(yīng)陽&郭路遙 學(xué) 號(hào): 6428 開 始 時(shí) 間: 2014 年 03 月 17 日完 成 時(shí) 間: 2014 年 05 月 30 日課程論文成績：學(xué)習(xí)態(tài)度及平時(shí)成績（30）技術(shù)水平與實(shí)際能力（20）創(chuàng)新（5）說明書（計(jì)算書、圖紙、分析報(bào)告）撰寫質(zhì)量（45）總 分（100）指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日目錄0 引言 - 2-1 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)簡介 -2 -2 輪轂拓?fù)鋬?yōu)化有限元仿真 - 2 -2.1 有限元模

2、型及主要參數(shù) - 2 -2.2 輪輻部位拓?fù)鋬?yōu)化有限元仿真 - 3 -2.2.1 輪輻部位拓?fù)鋬?yōu)化主要參數(shù)設(shè)置 - 3 -2.2.2 輪輻部位拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及模型重構(gòu) - 4 -2.2.3 重構(gòu)模型性能驗(yàn)證 - 5 -2.3 輪轂中心部位的優(yōu)化 - 7 -2.3.1 輪轂中心部位拓?fù)鋬?yōu)化主要參數(shù)設(shè)置 - 7 -2.3.2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及模型重構(gòu) -8 -2.3.3 輪轂新模型性能驗(yàn)證 - 8 -3 小結(jié) - 14 -4 參考文獻(xiàn) - 14 -摘要 為了實(shí)現(xiàn)汽車鋁合金輪轂的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，本文以拓?fù)鋬?yōu)化方法為理論依據(jù)，結(jié)合有限元分析技術(shù)，針對(duì)特定的鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化研究。建立了以輪輻和輪轂

3、中心區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)變量的有限元分析模型，分別對(duì)輪輻和輪轂中心部位進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，并依據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和性能驗(yàn)證。結(jié)果表明新設(shè)計(jì)的模型在滿足性能要求的前提下比優(yōu)化前減重了10%，材料性能進(jìn)一步得到有效應(yīng)用，輪轂結(jié)構(gòu)輕量化的目的得以實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵字：拓?fù)鋬?yōu)化，鋁合金輪轂，HyperWorks0 引言 在能源、環(huán)境和安全三大問題的迫切要求下，現(xiàn)代汽車節(jié)能降耗要求不斷高漲，安全和環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格，汽車輕量化是必然趨勢(shì)1。輪轂是汽車的一個(gè)重要部件，關(guān)系著汽車行駛的安全和舒適性，鋁合金輪轂具有諸多優(yōu)越性已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，短時(shí)期內(nèi)很難找到替換材料，因此合理的輪轂結(jié)構(gòu)就變得尤為重要，良好的輪轂結(jié)構(gòu)具有重量輕

4、，性能好，材料利用率高，便于加工等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的優(yōu)化是在設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上反復(fù)試驗(yàn)，計(jì)算和校核，其優(yōu)化周期長，并且耗費(fèi)大量的人力和物力，近幾年出現(xiàn)了采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化思想和有限元模擬相結(jié)合的優(yōu)化方法，能夠更科學(xué)和高效的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。本文以蘇州三基鑄造裝備股份有限公司生產(chǎn)的輪轂為例，以輪輻和輪轂中心區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)變量，采用有限元模擬的方法對(duì)輪轂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，并依據(jù)最終的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果建立了新輪轂幾何及有限元分析模型，對(duì)此模型進(jìn)行了靜態(tài)力學(xué)分析，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。1 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)簡介 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)能在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)找出最佳的材料分布，拓?fù)涞母倪M(jìn)可大大改善結(jié)構(gòu)的性能和減小結(jié)構(gòu)的質(zhì)量2。目前連

5、續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)比較成熟的是均勻化方法、變密度方法和變厚度方法。 變密度法就是引入一種假想的密度值在0,1之間的密度可變的材料，將連續(xù)結(jié)構(gòu)體離散為有限元模型后，以每個(gè)單元的密度為設(shè)計(jì)變量，將結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單元材料的最優(yōu)分布問題。用變密度法得到的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果是密度等值分布圖，其中密度為中間值所對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)榧傧氲娜斯げ牧希趯?shí)際的工程中是沒法實(shí)現(xiàn)的，因此在得到最優(yōu)拓?fù)鋱D形后要對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行人為的處理以適應(yīng)實(shí)際的工程需要。2 輪轂拓?fù)鋬?yōu)化有限元仿真 本文采用HyperWorks的OptiStruct模塊進(jìn)行輪轂的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，建立了輪轂的有限元模型。有限元模擬中網(wǎng)格的剖分質(zhì)量是影響計(jì)算

6、精度的重要因素，因此本文用專業(yè)的有限元前處理軟件HyperMesh來生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，然后進(jìn)行邊界條件和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置并進(jìn)行求解。輪轂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)由輪輻部位的優(yōu)化和在輪輻優(yōu)化基礎(chǔ)上的輪轂中心部位的優(yōu)化組成。2.1 有限元模型及主要參數(shù) 對(duì)輪轂三維模型（圖2-1）進(jìn)行處理后在HyperMesh中劃分高質(zhì)量的網(wǎng)格，共個(gè)單元，288,104個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中輪輻部位為24817個(gè)penta6單元，其余為tetra4單元。依據(jù)輪轂的實(shí)際工況建立了輪轂的有限元模型，其主要參數(shù)設(shè)置如下： 圖2-1 輪轂三維模型 圖2-2 輪轂拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型 材料：鋁合金 A356。 約束：在輪轂軸承裝配處建立剛性單元，完

7、全約束其6個(gè)自由度，從而將輪轂固定住。 載荷：0.65MPa。小汽車重約2噸，車輪觸地面積65*120mm2。 載荷施加部位：一種是對(duì)應(yīng)輪輻的輪輞區(qū)；另一種是加在兩個(gè)輪輻中間部位的輪輞區(qū)。（優(yōu)化結(jié)果相似，此處取一種） 2.2 輪輻部位拓?fù)鋬?yōu)化有限元仿真2.2.1 輪輻部位拓?fù)鋬?yōu)化主要參數(shù)設(shè)置 設(shè)計(jì)變量：7個(gè)輪輻區(qū)域 目標(biāo)函數(shù)：應(yīng)變能最小 約束函數(shù)：體積分?jǐn)?shù)上限0.4 制造約束：最大最小尺寸、拔模方向、模型重復(fù)等求解約束 圖2-3 輪輻優(yōu)化有限元模型2.2.2 輪輻部位拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及模型重構(gòu) 圖2-4是密度值取0.3時(shí)的輪輻部位優(yōu)化結(jié)果，可以看出優(yōu)化后的輪輻結(jié)構(gòu)近似為在中間區(qū)域開了一個(gè)槽。故對(duì)原

8、模型重構(gòu)如圖2-5所示。圖2-4 輪輻部位拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果原幾何模型 重構(gòu)新幾何模型圖2-5 輪輻優(yōu)化前后輪轂?zāi)Ｐ?.2.3 重構(gòu)模型性能驗(yàn)證 對(duì)輪轂輪輻部位優(yōu)化前后的模型進(jìn)行靜態(tài)的應(yīng)力分析，對(duì)比兩者的應(yīng)力云圖可得（表2-1），優(yōu)化前后的分布應(yīng)力相當(dāng)，優(yōu)化后最大應(yīng)力略有增大為62.6Mpa，但是低于A356鋁合金常溫下許用極限為112.5MPa，滿足性能要求。圖2-6 輪輻優(yōu)化前的應(yīng)力云圖 圖2-7 輪輻優(yōu)化后的應(yīng)力云圖表2-1 輪輻優(yōu)化前后應(yīng)力對(duì)比 （單位MPa） 最大應(yīng)力 分布應(yīng)力 優(yōu)化前46.710-25 優(yōu)化后62.620-35 對(duì)輪轂輪輻部位優(yōu)化前后的模型進(jìn)行靜態(tài)的位移分析，對(duì)比兩者的位

9、移云圖可得（表2-2），優(yōu)化后位移雖略有增大為0.56mm，但是小于1mm,且兩者分布位移相當(dāng)，滿足要求。 圖2-8 輪輻優(yōu)化前位移云圖 圖2-9 輪輻優(yōu)化后位移云圖表2-2輪輻優(yōu)化前后位移對(duì)比 （單位mm） 最大位移 分布位移優(yōu)化前0.440.1-0.3優(yōu)化后0.560.125-0.352.3 輪轂中心部位的優(yōu)化 在輪輻優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)輪轂中心部位進(jìn)行優(yōu)化，為了獲得更好的優(yōu)化效果，對(duì)原輪轂部位進(jìn)行改動(dòng)，使優(yōu)化的變量范圍擴(kuò)大，如圖2-10所示。圖2-10 優(yōu)化區(qū)域的還原2.3.1 輪轂中心部位拓?fù)鋬?yōu)化主要參數(shù)設(shè)置 設(shè)計(jì)變量：輪轂中心區(qū)域（綠色） 目標(biāo)函數(shù)：應(yīng)變能最小 約束函數(shù)： 體積分?jǐn)?shù)下

10、限0.15 制造約束：最大最小尺寸 設(shè)計(jì)優(yōu)化變量時(shí)為了不改變其裝配關(guān)系，在螺栓孔和軸承孔處預(yù)留了一定的厚度（圖2-11所示）。圖2-11 輪轂中心部位拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型2.3.2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及模型重構(gòu) 圖2-11是密度值取0.3時(shí)輪輞部位的優(yōu)化結(jié)果，輪轂5個(gè)螺栓孔之間的部分材料被去除，優(yōu)化后類似一個(gè)凸臺(tái)（圖2-12）。故進(jìn)一步對(duì)原模型重構(gòu)如圖2-13所示。圖2-12 輪轂部位優(yōu)化結(jié)果圖2-13 整體模型重構(gòu)2.3.3 輪轂新模型性能驗(yàn)證 為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的新模型的性能，根據(jù)汽車靜止時(shí)輪轂與地面接觸的載荷施加部位的不同分兩種方案，載荷施加部位如圖2-14所示： 載荷施加位置1 載荷施加位置2圖2-

11、14 載荷施加部位（1）載荷施加位置1應(yīng)力對(duì)比 對(duì)輪轂優(yōu)化前后的模型進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，對(duì)比兩者的應(yīng)力云圖可得（表2-3），優(yōu)化前后的分布應(yīng)力相當(dāng)，優(yōu)化后最大應(yīng)力略有增大為54.5Mpa，但低于A356鋁合金常溫下許用極限為112.5MPa，滿足性能要求。 圖2-15 整體優(yōu)化前應(yīng)力云圖 圖2-16 整體優(yōu)化后應(yīng)力云圖表2-3整體優(yōu)化前后應(yīng)力對(duì)比 （單位MPa）最大應(yīng)力應(yīng)力 分布應(yīng)力 優(yōu)化前46.710-25 優(yōu)化后54.518-36 載荷施加位置1位移對(duì)比 對(duì)輪轂優(yōu)化前后的模型進(jìn)行靜態(tài)位移分析，對(duì)比兩者的位移云圖可得（表2-2），優(yōu)化后最大位移雖略有增大為0.58mm，但小于1mm,且兩者分布

12、位移相當(dāng)，滿足要求。 圖2-17 優(yōu)化前位移云圖 圖2-18 優(yōu)化后位移云圖表2-4整體優(yōu)化前后位移對(duì)比 （單位mm） 最大位移分布位移優(yōu)化前0.440.1-0.3優(yōu)化后0.580.13-0.4（2）載荷施加位置2應(yīng)力對(duì)比 對(duì)輪轂優(yōu)化前后的模型進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，對(duì)比兩者的應(yīng)力云圖可得（表2-5），優(yōu)化前后的分布應(yīng)力相當(dāng)，優(yōu)化后最大應(yīng)力略有增大為64Mpa，但低于A356鋁合金常溫下許用極限為112.5MPa，滿足性能要求。 圖2-19 整體優(yōu)化前應(yīng)力云圖 圖2-20 整體優(yōu)化后應(yīng)力云圖表2-5 整體優(yōu)化前后的應(yīng)力對(duì)比 （單位MPa） 最大應(yīng)力 分布應(yīng)力 優(yōu)化前50.510-30 優(yōu)化后6415-35 載荷施加位置2位移對(duì)比： 對(duì)輪轂優(yōu)化前后的模型進(jìn)行靜態(tài)位移分析，對(duì)比兩者的位移云圖可得（表2-6），優(yōu)化后位移雖略有增大為0.64mm，但小于1mm,且兩者分布位移相當(dāng)，滿足要求。 圖2-21 整體優(yōu)化前位移云圖 圖2-22 整體優(yōu)化后應(yīng)力云圖表2-6整體優(yōu)化前后的位移對(duì)比（單位mm）最大位移分布位移優(yōu)化前0.530.12-0.35優(yōu)化后0.640.14-0.43 小結(jié) 本