铝合金车轮结构优化研究译文（罗云）..docVIP

2010信息工程国际学术会议 铝合金车轮结构优化研究 Zhihua Zhu, Jinhua Hu, 孙红梅 Xiaoming Yuan, Huixue Sun 钱江学院 机械工程学院 杭州师范大学 燕山大学 中国 杭州 中国 秦皇岛 Email: xiaomeizikuaile@163.com Email: cae007@126.com 文摘-车轮的优化设计实施摘要.环刚度有限元模型，首先建立车轮13-度冲击强度有限元模型和弯曲有限元分析模型。综合考虑车轮冲击强度和弯曲疲劳强度对环刚度的影响。将约束变量法优化程序OPTIII基于检测技术应用于优化计算。结果表明，OPTIII有高的收敛速率及轻量化设计车轮可以实现基于优化设计方法。 关键词-最优化；车轮；有限元 I 概述 优化设计是一种设计方法，即：在给定载荷的影响或环境条件，选择设计变量。建立目标函数，得到在约束范围内性质最优的产品状态，几何尺寸之间的关系或其它状态。设计变量、约束条件和目标函数构成了优化设计的三个基本要素。数学模型编程的方法成功用于优化设计始于1960年。一些基本的程序已被用于优化铝合金车轮。2003年H．Akbulut 在土耳其研究结构优化的车轮冲击试验条件，他选择关键节点位移作为设计变量，观察设计变量如何随着结构应力变化而变化，应用分析结果来指导设计结构安全的车轮。在2007年，孙红梅建立了汽车轮基于约束变量指标优化算法的结构优化设计模型，综合考虑了边缘环刚度、弯曲应力和车轮振动模式。该结构优化设计的铝合金车轮研究将轮毂厚度作为设计变量，车轮轻量化作为目标函数。2009年，周家福在ANSYS中利用零级优化方法，在弯曲饰演的条件下以车轮为对象，采用复合材料优化轻质结构尺寸设计车轮轮缘厚度，安装法兰厚度和轮廓的车轮，已达到轻量化设计的目的。经优化设计的复合材料的车轮弯曲疲劳试验，应力、应变和位移变化不大但重量减少了10.436%。 综上所述、由于复杂的铝合金车轮结构，车轮优化设计研究在海内外都比较少，近年来，车轮结构优化设计研究显著增加。车轮轻量化设计的优化设计已经成为研究热点。 本文综合考虑了车轮的刚度，冲击强度，和车轮的弯曲应力，建立了车轮边缘刚度的有限元模型，13度冲击强度有限元模型和单独的有限元分析模型。选择轮辋和轮辐的厚度作为设计变量，上述轮辋刚度,最大主应力和轮辐的最大应力计算模型作为约束变量，车轮体积作为目标函数。在约束变尺度法优化程序OPTIII的基础上对检测技术的应用进行了论述。 II 基于OPTIII的优化设计 模型 (1) 环刚度有限元模型计算 环刚度有限元模型计算如图1所示；该模型共有68765个单元和115931个节点 图1. 车轮的刚度分析有限元模型 (2) 13度冲击强度实验的有限元模型 图2 车轮冲击力分析的有限元模型 图3 车轮弯曲疲劳分析的有限元模型 13度冲击强实验有限元模型如图2所示。该模型是对真实模型的简化。 （3）弯曲疲劳强度分析的有限元模型 弯曲疲劳强度分析的有限元模型如图3所示；该模型有41017个单元，69641个节点。 B. 边界条件和载荷 优化计算这部分综合介绍了三种分析模型，即：刚度计算模型，13°冲击强度计算模型和弯曲疲劳强度计算模型，这三种分析模型有不同的边界条件和加载方式，分别描述如下： （1）刚度计算模型的边界条件和载荷 在法兰联轴节内圆加载固定约束、向车轮外轮缘加载1000N的载荷 （2）13°冲击强度计算模型的边界条件 内法兰表面固定约束，和冲击力影响区域。 （3）弯曲疲劳强度计算模型的边界条件和载荷 利用车轮的对称性，对称面加对称的约束，车轮外轮缘加固定约束，在轴上加1565N的径向载荷。 C. 优化过程 首先分析环刚度，建立模型如图1所示：考虑弹性变形的情况，使用1000N的力，得到外缘受力方向的最大位移，然后乘以5可得到最大位移方向边缘载荷5000N，代入（1）式可以得到边缘刚度，使它成为第一约束变量的优化计算。 刚度计算公式如下： (1) 其中，—轮辋刚度 L—轮辋宽度 F—负载变化从1000N到5000N —边缘载荷1000N时最大变形位移