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摘要：汽車輪轂設(shè)計(jì)工作開(kāi)展時(shí)，需考量汽車設(shè)計(jì)要求與能源消耗，保證汽車輪轂設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。為確保汽車輪轂設(shè)計(jì)工作安全性與可靠性，可合理運(yùn)用有限元分析技術(shù)，架構(gòu)新的汽車輪轂設(shè)計(jì)模式，提高設(shè)計(jì)工作開(kāi)展效率與質(zhì)量。本文就有限元分析技術(shù)，在汽車輪轂設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用展開(kāi)分析與研究，并對(duì)汽車輪轂設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：有限元分析技術(shù)；汽車輪轂；應(yīng)用研究

汽車輪轂設(shè)計(jì)工作開(kāi)展時(shí)，需綜合考量汽車輪轂的美觀性與可靠性，確保汽車輪轂達(dá)到國(guó)家行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。為提升汽車輪轂設(shè)計(jì)工作整體水平，可合理應(yīng)用有限元分析技術(shù)，開(kāi)展汽車輪轂仿真模型試驗(yàn)，對(duì)汽車輪轂結(jié)構(gòu)、材料、強(qiáng)度等進(jìn)行優(yōu)化，保證汽車輪轂設(shè)計(jì)工作的可靠性。鑒于我國(guó)汽車保有量的不斷攀升，汽車生產(chǎn)工藝不斷提升，為實(shí)現(xiàn)輕量化節(jié)能設(shè)計(jì)目標(biāo)，需對(duì)汽車輪轂設(shè)計(jì)方式進(jìn)行合理創(chuàng)新。

1有限元分析在汽車工程領(lǐng)域的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)分析：應(yīng)用有限元分析技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、汽車變速器殼體、車身和汽車輪轂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核與優(yōu)化，同時(shí)分析其相應(yīng)的彎曲剛度、材料強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)剛度析等；碰撞安全分析：為保證汽車輪轂具有一定可靠性與安全性，可基于有限元技術(shù)開(kāi)展汽車碰撞實(shí)驗(yàn)，對(duì)行人保護(hù)系統(tǒng)、約束系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，判斷汽車輪轂的整體安全性與可靠性。CFD分析：該種分析工作，主要是對(duì)整車流場(chǎng)進(jìn)行評(píng)估分析，評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱流場(chǎng)的實(shí)際變化規(guī)律，保證整體運(yùn)行安全性與可靠性；NVH分析：該項(xiàng)分析工作，主要對(duì)汽車的動(dòng)態(tài)剛度與震動(dòng)噪聲進(jìn)行分析，基于有限元分析技術(shù)對(duì)汽車輪轂設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理優(yōu)化，提高汽車運(yùn)行的整體舒適度與安全性[1]。

2有限元分析技術(shù)在汽車輪轂設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

2.1汽車輪轂設(shè)計(jì)問(wèn)題解析。通過(guò)對(duì)前人的汽車輪轂設(shè)計(jì)工作進(jìn)行解析可知，汽車輪轂設(shè)計(jì)工作開(kāi)展階段，輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與造型設(shè)計(jì)獨(dú)立開(kāi)展，如汽車企業(yè)依據(jù)汽車設(shè)計(jì)造型進(jìn)行車輛輪轂造型設(shè)計(jì)，在汽車輪轂的設(shè)計(jì)造型通過(guò)審核后，建構(gòu)對(duì)應(yīng)的三維模型，確保汽車輪轂造型與車身融為一體。而后依據(jù)審核通過(guò)的造型設(shè)計(jì)要求，開(kāi)展后續(xù)的輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，由于輪轂造型設(shè)計(jì)的局限性，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)法達(dá)到預(yù)期安全要求。為保證汽車輪轂設(shè)計(jì)方案的可靠性，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，需對(duì)汽車輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行反復(fù)修改處理，不僅增加了汽車輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)升高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的風(fēng)險(xiǎn)性，使得汽車整體生產(chǎn)制造受到影響，不利于車企整體運(yùn)營(yíng)管理。為充分解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)者可合理應(yīng)用有限元分析技術(shù)，使得汽車輪轂造型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合。基于有限元對(duì)三維模型建構(gòu)的求解分析，提高汽車輪轂的整體設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

2.2有限元分析技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)探討。汽車輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作開(kāi)展時(shí)，合理運(yùn)用有限元分析技術(shù)，可提高汽車輪轂設(shè)計(jì)工作質(zhì)量與水平，如基于有限元技術(shù)進(jìn)行汽車輪轂的二維造型設(shè)計(jì)，并對(duì)其設(shè)計(jì)二維造型方案進(jìn)行嚴(yán)格審核，為后續(xù)有限元三維模型建構(gòu)鋪墊基礎(chǔ)，保證三維汽車輪轂?zāi)Ｐ徒?gòu)的可靠性與準(zhǔn)確性如圖1所示。若汽車輪轂的二維模型設(shè)計(jì)方案，未能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)高度，則需對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行重新優(yōu)化完善，以保證三維汽車輪轂?zāi)Ｐ停_(dá)到有限元設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。通過(guò)有限元設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用，快速完成汽車輪轂預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，有效提高了汽車輪轂設(shè)計(jì)工作效率，縮短了汽車模型設(shè)計(jì)周期，對(duì)汽車開(kāi)發(fā)生產(chǎn)成本進(jìn)行控制。汽車輪轂進(jìn)行有限元分析技術(shù)應(yīng)用時(shí)，需對(duì)汽車輪轂設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真測(cè)試，網(wǎng)格劃分如圖2所示，如進(jìn)行汽車輪轂材料疲勞應(yīng)力仿真試驗(yàn)、沖擊載荷仿真試驗(yàn)、彎曲應(yīng)力仿真試驗(yàn)等。基于仿真試驗(yàn)測(cè)試，可對(duì)不同材料設(shè)計(jì)的車輛輪轂的承受區(qū)間進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)定結(jié)果如表1所示，為后續(xù)車輛輪轂設(shè)計(jì)工作提供數(shù)據(jù)支持。通過(guò)有限元技術(shù)應(yīng)用分析可知，在彎曲運(yùn)行工況下，汽車直輻輪轂的運(yùn)行力學(xué)性能更加優(yōu)秀；在沖擊運(yùn)行工況下，汽車彎曲輪輻的設(shè)計(jì)力學(xué)性能表達(dá)更好。由此可見(jiàn)，很多車企進(jìn)行汽車輪轂設(shè)計(jì)時(shí)，為保證汽車輪輻具有更好的受力性能，主要采取直輻條背面開(kāi)槽的設(shè)計(jì)技術(shù)方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)期汽車輪轂設(shè)計(jì)效果與目的[2]。汽車輪轂設(shè)計(jì)優(yōu)化工作開(kāi)展時(shí)，部分學(xué)者利用有限元分析技術(shù)，對(duì)汽車輪轂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行探討，通過(guò)三維模型支持，對(duì)汽車輪轂厚度進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，進(jìn)而合理發(fā)揮出有限元技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。部分學(xué)者基于參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)視域，對(duì)鍛造鋁合金汽車輪轂進(jìn)行研究分析，以17英寸汽車輪轂為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以PROE系統(tǒng)建構(gòu)汽車車輪的幾何模型，并在汽車輪轂中導(dǎo)入ANSYS相關(guān)數(shù)據(jù)信息，對(duì)其汽車輪轂進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)與拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，最終汽車輪轂的設(shè)計(jì)優(yōu)化后，輪轂整體質(zhì)量明顯得到提高、應(yīng)力得到均衡分配，且輪轂最大應(yīng)力小于對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力，優(yōu)化結(jié)果如圖3所示，應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。部分學(xué)者基于有限元分析技術(shù)，對(duì)汽車輪轂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討，建構(gòu)相關(guān)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行可行性分析評(píng)估。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化與有限元設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合，對(duì)汽車輪轂?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使得汽車輪轂設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，達(dá)到汽車輪轂設(shè)計(jì)預(yù)期要求。如對(duì)16英寸汽車輪轂設(shè)計(jì)時(shí)，圍繞全封閉輪輻設(shè)計(jì)要求進(jìn)行五輻車輪設(shè)計(jì)，基于有限元仿真分析，對(duì)其汽車車輪進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，保證汽車車輪設(shè)計(jì)方案，達(dá)到預(yù)期汽車設(shè)計(jì)要求，保證汽車運(yùn)行整體安全性與可靠性。

2.3有限元技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用論證。設(shè)計(jì)人員應(yīng)用有限元分析技術(shù)，設(shè)計(jì)一款17英寸的汽車輪轂，為充分發(fā)揮出有限元技術(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，利用Hypermesh計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行汽車輪轂三維模型的離散化處理。實(shí)際設(shè)計(jì)工作開(kāi)展時(shí)，基于10節(jié)點(diǎn)四面體進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，確保網(wǎng)格的平均尺寸為10毫米。汽車輪轂設(shè)計(jì)時(shí)，采用A635特制鋁合金材料，該種材料的密度達(dá)到2.8×10-9t/mm3，而材料的設(shè)計(jì)彈性模量達(dá)到72000MPA，泊松比值為0.33。在對(duì)汽車輪轂的FEA模型進(jìn)行自由模態(tài)分析，則可準(zhǔn)確提取出設(shè)計(jì)模型的輪轂固有頻率與振動(dòng)規(guī)律。汽車輪轂作為汽車運(yùn)行安全的基本保證，進(jìn)行汽車輪轂設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)主動(dòng)規(guī)避汽車輪轂出現(xiàn)共振問(wèn)題，以消除汽車外部產(chǎn)生的激勵(lì)頻率，激勵(lì)頻率包含汽車運(yùn)行產(chǎn)生的路面振動(dòng)頻率與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率，通過(guò)有限元分析技術(shù)應(yīng)用，則可保證汽車輪轂不出現(xiàn)相關(guān)振動(dòng)問(wèn)題。基于試驗(yàn)研究可知，當(dāng)汽車行駛于路況較高的區(qū)域，行駛路面發(fā)出的激勵(lì)頻率小于3HZ，而汽車行駛的路況較差，此時(shí)行駛路面發(fā)出的激勵(lì)頻率小于11HZ。四缸直列發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)生的激勵(lì)頻率處于200HZ以內(nèi)。為此，汽車輪轂設(shè)計(jì)時(shí)，需考量多種激勵(lì)頻率，利用有限元分析技術(shù)，保證汽車輪轂不會(huì)出現(xiàn)共振問(wèn)題，保證汽車輪轂的設(shè)計(jì)壽命與安全[3]。

2.4未來(lái)汽車輪轂設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。輕量化汽車設(shè)計(jì)制造，可有效控制汽車生產(chǎn)的資源消耗，且保證汽車運(yùn)行安全性。在輕量化設(shè)計(jì)工作開(kāi)展時(shí)，汽車輪轂設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)，有效設(shè)計(jì)汽車輪轂，可減輕汽車運(yùn)行自重，可有效改變汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，整車重量減低10%，燃油效率可提高6%-8%，同時(shí)降低二氧化碳及碳?xì)浠衔锏呐欧帕俊；谟邢拊O(shè)計(jì)分析技術(shù)，對(duì)汽車輪轂進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使得簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)量的比值趨于均衡，可有效提高汽車運(yùn)行燃油經(jīng)濟(jì)性與駕駛舒適度。由此可見(jiàn)，合理應(yīng)用有限元設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)汽車輪轂進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，可有效提高汽車運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性[4]。基于工程設(shè)計(jì)視域分析可知，汽車輪轂設(shè)計(jì)時(shí)，主要進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，實(shí)現(xiàn)工程預(yù)期設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮出相關(guān)材料的價(jià)值，提高材料的整體利用效率。部分研究學(xué)者進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，模仿趙州橋進(jìn)行材料強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)，分析得出拓?fù)鋬?yōu)化工作的開(kāi)展有效性。即汽車輪轂進(jìn)行有限元設(shè)計(jì)時(shí)，可對(duì)其材料進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化處理，實(shí)現(xiàn)預(yù)期汽車輪轂設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3結(jié)束語(yǔ)

本文基于有限元分析技術(shù)在汽車工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，著重闡述有限元分析技術(shù)在汽車輪轂設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用。鑒于汽車輪轂設(shè)計(jì)工作重要性，圍繞有限元分析進(jìn)行模型求解與分析，并開(kāi)展針對(duì)性的仿真試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可靠性論證，評(píng)估有限元分析技術(shù)的應(yīng)用可行性。通過(guò)文中論述可知，有限元分析技術(shù)在輪轂設(shè)計(jì)中應(yīng)用具有可操作性，未來(lái)汽車輪轂設(shè)計(jì)工作開(kāi)展時(shí)，應(yīng)當(dāng)合理靈活運(yùn)用有限元分析技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

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作者:盧振生 呂關(guān)想 王迎輝 史愛(ài)平 常家偉 趙宏雋 單位:綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院