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摘要：轮毂是保证汽车安全性的重要环节，本文通过有限元分析软件进行二次分析，来规划出符合A356-T6铝合金轮毂的零件S-N曲线。同时，利用Simulation软件开展轮毂径向冲击测试，以实验数据为基础构建有限元分析力学模型，探究在轮毂冲击静态影响因素下所产生的最高盈利。并采用有限元分析法来对比轮毂优化前后的强度差异性，根据零件S-N曲线预测轮毂强度，从而给铝合金轮毂结构设计提供丰富的数据资源。

关键词：轮毂；二次开发；有限元分析法；径向冲击；S-N曲线

前言

随着社会经济不断发展，汽车逐渐普及到家家户户，成为家庭代步的常用工具，其安全性能对人们生命安全有重要作用。汽车轮毂作为汽车最主要的环节，其强度分析是设计中必须考虑的因素，尤其在信息化时代背景下，汽车行业竞争愈发激励，现代汽车制造业要将美观性强、质量轻、强度高等设计原理应用到汽车轮毂设计中。而在轮毂日常工作中，轮毂抗径向冲击能力和实际行驶安全性有直接联系，所以如何在结构设计中优化设计内容，降低轮毂出现安全故障的概率，提高轮毂强度，是目前汽车制造行业急需考虑的问题。本文通过有限元分析软件进行二次分析，来规划出符合A356-T6铝合金轮毂的零件S-N曲线。同时，利用Simulation软件开展轮毂径向冲击测试，以实验数据为基础构建有限元分析力学模型，探究在轮毂冲击静态影响因素下所产生的最高盈利。并采用有限元分析法来对比轮毂优化前后的强度差异性，根据零件S-N曲线预测轮毂强度，从而给铝合金轮毂结构设计提供丰富的数据资源[1]。

一、轮毂有限元分析和二次开发

（一）有限元分析和二次开发的意义

在信息化时代背景下，我国中小型铝合金轮毂企业在判断轮毂结构强度过程中，是以直觉准则法为主体，结合自身设计经验进行结构设计，很少进行结构优化，强度问题只能在实验过程中发现，再根据实际数据来调整轮毂强度。这种方法不仅浪费大量生产成本，还延长产品开发周期，给相关企业经济效益带来严重影响。随着市场竞争环节愈发激励，客户对轮毂可靠性提出更高要求，所以工作人员要进一步优化新产品开发流程，提高开发设计能力和研究能力。通过将有限元分析软件应用其中，工作人员可在产品设计初期进行轮毂强度放置实验，提前发现其中存在的问题，给结构优化提供正确的发展方向，增强量产品的稳定性，避免给企业带来严重的时间浪费和成本浪费，在保证安全性的前提下优化结构，节约各种材料，让轮毂达到预期目的。

（二）S-N曲线的二次开发

将材料标准样件的疲劳强度作为Y轴，以疲劳寿命为X轴，来展现出不同循环特征下，标准样件中疲劳寿命和疲劳强度间的关系曲线，形成应力寿命曲线。而材料S-N曲线是指将原材料作为圆棒形，制作为满足行业标准的标准样件，从而得到多样化S-N曲线，且不同加工精度、形状、零件所产生的S-N曲线存在严重差异性[2]。而在Simulation软件中仅有材料S-N曲线，工作人员通过利用该曲线进行铝合金轮毂有限元分析，所模拟出现的数据和实际产品数据有一定差距，对实际生产并未有较强作用。目前，铝合金轮毂是以A356-T6材料为主，其机械性能如下：

在公式（1）：σa表示交变应力作用下的平均应力；σNf表示加载扭力的交变应力；σm表示平均应力；Su表示强度极限。

利用公式能直接计算出产品在满足疲劳寿命下的最高应力值，从而优化有限元分析工作量，不需要模拟寿命周期，只要根据不同测试标准就能计算出对应应力值（如表1所示）。目前，很多有限元分析模型是将材料强度为基础，来预判冲击模拟实验成功率，发现模拟结果和实际冲击实验存在严重差异性，则该材料强度对实际生产未有重要作用。而通过计算修正后的材料S-N曲线应力值，将其作为有限元分析的判断标准，和实际测试情况基本相同，能给零件结构优化提供正确方向[3]。

基于有限分析的结构优化

本文以为例，将轮毂13度冲击实验作为计算依据，来建立承受瞬间疲劳的有限元模型，从而研究基于有限元分析的结构优化。

（一）13度冲击测试有限元模型

13度冲击实验通过模拟实际行驶过程中遇到的侧面撞击情况，如马路牙子、石头等，来判断轮毂承受的瞬间疲劳。在冲击试验机上有一个重锤，工作人员将轮毂安装轮胎后，设置在试验机上，让轮毂中心轴线和垂直方向呈现13°角，让其面对最高位置的锤击，且确保重锤悬挂在轮毂正上方，和轮毂相互重叠，然后将重锤提高到轮毂的230mm处，让其能直冲轮毂轮胎。如果在实验过程中，轮毂位置出现明显裂痕、轮胎内空气外泄等现象，就判定为整个实验失败；如果被重锤冲击轮毂位置出现裂痕，而轮胎并未产生漏气现象，则实验成功。同时，13度冲击测试有限元分析模型要进行二次分析，第一次分析冲击的静态影响因素，第二次要分析动态冲击下的最高应力水平[4]。

1、建立算例

（1）冲击力量和重锤有直接联系，重锤质量计算公式为：

W=0.6×W1+180（2）

公式（2）中：W表示重锤质量；W1表示最高荷重。

（2）模型处理

从轮毂耳部向中心位置移动1inch，在轮毂上切割出一个受重锤冲击的受力面，通常为2个曲面，二次旋转轮毂，保证轮毂中心轴线和垂直方向呈现13°，从而规划出受力面来承受重锤的垂直冲击力。

（3）模型材质

在模型中添加S356-T6材料，其泊松比为0.33，密度2.67×103kg/m3，弹性模量为72.4X103MPA，T6后硬度提高到75HB，成品硬度为90HB。

（4）设定约束

汽车主要包括动力系统、车身、底盘等环节，其中底盘、车身和传统汽车结构基本相同，甚至在某些方面进行不同程度的优化，但其动气系统和传统系统相比，仍然存在一定的差异性。传统汽车动力是以发动机为主体，其结构非常复杂，而汽车动力是将电池作为主要能源，其结构和传统汽车相比，具有结构简单、操作方便等特征，能有效提高驾驶人员驾驶便捷性。工作人员设置五颗PCD螺丝孔作为固定点，来限制不同轴的转动自由度。同时，设置安装面，来保证夹具接触面垂直位移为0，来控制Z轴移动，从而限制六个自由度，实现完全定位功能[5]。

2.定义载荷

在进行轮毂冲击实验是，工作人员要提前安装轮胎，且在充好轮胎气后，将其安装在试验机上，合理控制重锤质量和高度，才能启动操作开关，让重锤能垂直下落，有规律撞击轮毂。通过模拟实验冲击，发现轮毂面上受到压力未29psi；对分割出来的受力面，需应用669k的重锤质量。

3.静态分析属性设置

静态分析属性设置环节对冲击分析有重要作用，由于分析分析#1是计算静态影响因素，即是冲击位置的变形量。因此，在静态分析属性设置中，可选择大卫衣求解器来进行自动求解[6]。

4.网络划分

在不影响计算精确度的基础上，工作人员针对轮毂环节，要利用尺寸较大的网络来进行规划。所有材料型号要满足设计标准，并附加产品合格证明。在轮毂日常工作中，轮毂抗径向冲击能力和实际行驶安全性有直接联系，所以如何在结构设计中优化设计内容，降低轮毂出现安全故障的概率，提高轮毂强度，是目前汽车制造行业急需考虑的问题。因此，在采用轮毂部件前，要详细观察其表面是否存在裂纹、破皮等问题，检查轮毂外观是否出现砂眼。同时，在孔边缘位置进行平滑性处理和网格细化处理，避免由于网络划分不完善，导致整个计算数据出现错误。

5.有限元模型计算结果分析

通过查询分析结果，能发现静态因素因素为0.042inch。当轮毂受到重锤冲击后，冲击位置最高变形数量为0.042inch[7]。

6.计算冲击高度影响因素

目前，影响冲击实验因素有重锤落下高度和冲击重锤质量。冲击高度影响因素计算公式如下：

公式（3）中：n表示冲击高度影响因素；H为冲击高度；s表示静态因素因素。

4.计算动态冲击荷载

动态冲击载体是指真实模拟重锤在某个高度落下，砸在轮毂上给轮毂带来的载荷。动态冲击载荷计算公式如下：

公式（4）：W表示重锤质量；n表示冲击高度影响因素；Af表示吸收因素。

（三）结构优化方案

针对轮毂和窗口相互链接位置应力较高的问题，经过大量实践证明，该位置的强度较低，在结构优化中可将耳部厚度从原本的6mm增加到7.5mm，且让轮毂和耳部交叉位置R角，从R2优化到R4。第一，重新进行有限元模型分析，通过利用分析结果得出静态因素因素为0.0819；第二，计算出冲击高度影响因素为15.86；第三，计算动态冲击载荷1613kg；第四，重新回到定义载荷模型，将载荷调整为1613kg，从而获得分析结果#2.同时，通过建立有限元分析模型，分析出其最高应力值，当其应力值低于冲击极限应力时，则判定为符合要求。在日常生产过程中，工作人员要严格遵循该原则进行调整，保证其测试结果满足行业要求[8]。

四、总结

综上所述，本文将A265-T6铝合金轮毂作为主要研究对象，来计算出符合铝合金轮毂零件的S-N曲线，并将有限元分析软件当作辅助工具，来建立轮毂力学模型，来分析轮毂冲径向强度，发现优化轮毂强度和结构的方向，来降低轮毂开模后实验次数，节约新产品开发时间和成本，提高企业核心竞争力，给客户提供源源不断的新品。

参考文献：

[1] 石广寒，邹朗，鲁连涛，等. 轮毂突悬量对轮轴过盈配合结构微动疲劳强度的影响研究[J]. 机械，2021，48（6）：20-26.

[2] 张现杰，杨伟岗，王建全，等. 使用焊补法解决QT500-7球墨铸铁轮毂的加工质量问题[J]. 金属加工（热加工），2021（1）：34-35.

[3] 王伟达，张宇航，黄国强，等. 轮毂驱动电动车辆动力学稳定性滑模控制策略研究[J]. 动力学与控制学报，2021，19（3）：5-14.

[4] 杨婷. 考虑风-结构-土体耦合的风机动力特性及功率性能研究[D]. 黑龙江：哈尔滨工业大学，2021.

[5] 李万润，杨州，杜永峰. 一种新型风电塔架结构用双向TMD风致响应减振控制研究[J]. 振动与冲击，2021，40（12）：114-123.

[6] 黄镜玮，付维亮，马国骏，等. 受轮缘密封结构影响的1.5级涡轮封严流与主流的相互作用以及轮缘密封间流动干扰[J]. 航空学报，2021，42（7）：232-250.

[7] 陈丽香，刘佳琛，张超，等. 基于流固耦合的电动汽车轮毂电机不同工况瞬态温度场分析[J]. 电工电能新技术，2021，40（8）：73-80.

[8] 张雷，王子浩，孙逢春，等. 四轮轮毂电机驱动智能电动汽车转向失效容错控制研究[J]. 机械工程学报，2021，57（20）：141-152.

作者简介：孙淼英（1975年），女，汉族  浙江博纳华创汽车部件有限公司  副总经理  从事新能源汽车高性能球头销总成设计和研发