一种汽车车轮变厚度轮辋的优化设计方法

摘要

一种汽车车轮变厚度轮辋的优化设计方法，它有四大步骤：一：建立等截面轮辋有限元模型，计算其在径向载荷作用下的应力，确定强度约束条件；二：通过建立轮辋参数化CAD模型，设定轮辋典型尺寸，更新轮辋几何；三：将轮辐、轮辋CAD模型导入CAE软件中,模拟其在径向实验下的应力水平，设定轮辐、轮辋的连接关系、边界条件、载荷工况、划分网格，进行求解分析，得到轮辋最大应力；四：在优化平台软件中集成CAD软件和CAE软件，选择轮辋典型设计尺寸为设计变量，轮辋最大应力为约束条件，轮辋质量最小为优化目标，选择优化算法进行优化，直到得到最优结果。本发明提高了验证校核的准确性，“设计—计算—修改”优化过程自动运行，缩短了产品开发时间。

主权项

一种汽车车轮变厚度轮辋的优化设计方法，其特征在于：它包括以下步骤：步骤一：建立等截面轮辋有限元模型，计算其在径向载荷作用下的应力；在径向载荷作用下轮辋与轮胎接触部位的应力分布近似服从余弦波状，波形中心夹角对称于压力方向，载荷作用的最大偏转角θ₀的范围为30度至40度之间，θ₀是径向载荷作用的最大偏转角，在进行仿真计算时，设应力分布为余弦波状且θ₀为36度，将钢圈平均划分为10等份，作用力的间隔恰好为36度，依次施加该径向作用力，共计进行分析10次完成一完整作用力周期；车轮径向分布力与最大径向分布力间的关系：$W_r=W_0\cos \left(\frac{\pi }{2}\frac{\theta }{{\theta }_0}\right)$    公式1公式1中，W_r为角度为θ时，对应的等效车轮径向分布力；W₀为等效的最大径向分布力；对公式1进行积分得：$W=b{\int }_{-{\theta }_0}^{{\theta }_0}{W}_r{r}_b\mathrm{d\theta }$$W=4b{r}_b{\theta }_0\frac{W_0}{\pi }$即：$W_0=\frac{\mathrm{W\pi }}{4b{r}_b{\theta }_0}$    公式2公式2中，W：径向集中力；W₀为等效最大径向分布力；b为胎圈座受力宽度；r_b为胎圈座半径；θ₀为径向分布载荷作用的最大偏转角；具体加载参数如下：W＝88200/2＝44100N,b＝28mm,r_b＝280mm,θ₀＝36度，则：$W_0=\frac{\mathrm{W\pi }}{4b{r}_b{\theta }_0}=7.03\mathrm{Mpa}$由于在车轮轮胎座上的分布力是作用在轮辋上的两侧，所以，公式2中所用的加载径向集中力W为试验加载力的一半；从CAD软件导入轮辐、轮辋模型到CAE软件中，将径向载荷加在轮辋胎圈座上，设定轮辐、轮辋的连接关系为绑定关系，边界条件为约束轮辐内侧面的所有自由度、划分网格，保存有限元模型，进行求解分析，得到等截面轮辋在径向载荷作用下的最大应力为349.49Mpa，作为步骤四优化过程的约束条件；步骤二：通过CAD软件建立轮辋参数化模型，等截面轮辋截面由圆弧和直线组成，变截面轮辋的设计方法是采用样条曲线代替等截面轮辋中的圆弧线，添加尺寸约束实现参数化,这样通过控制参数的变化来变化轮辋截面形状；取截面控制参数D1、D2、D3作为设计参数，导出轮辋几何STP格式文件供步骤三的CAE软件使用；通过SOLIDWORKS软件建立轮辋参数化模型，添加轮辋截面特征尺寸D1,D7,D6,D2,D10,D3,D14,D15,D5,D17,D4,D19和D18，输出轮辋几何LW.step文件；步骤三：将轮辋CAD模型STP格式文件导入CAE软件中,模拟其在径向实验下的应力水平，进行下列操作：a.打开步骤一的有限元分析模型，删除原轮辋几何，导入更新后的轮辋几何LW.step文件；b.设定轮辐、轮辋的连接关系为绑定关系，边界条件为约束轮辐内侧面的所有自由度、划分网格，进行求解分析，得到轮辋最大应力；输出轮辋最大应力到abaqus.rpt文件中；步骤四：在ISIGHT中集成SOLIDWOKS软件和ABAQUS软件，以轮辋截面特征尺寸D1,D7,D6,D2,D10,D3,D14,D15,D5,D17,D4,D19和D18为设计变量，以等截面轮辋最大应力为约束条件，以轮辋质量最小为优化目标，选择多岛遗传算法进行优化，得到最优结果；集成方法如下：a.将设计变量写到EXCEL中，通过Visual Basic编程实现EXCEL对轮辋SOLIDWORKS模型特征尺寸的控制，输出轮辋质量到EXCEL中并输出轮辋几何LW.step文件；b.通过ABAQUS的批处理文件自动进行原轮辋几何的删除，LW.step的导入，边界条件、载荷等的加载和网格划分，并计算输出轮辋最大应力到abaqus.rpt文件中；优化结果如下表所示，优化后轮辋质量由31.22kg下降到28.97kg,减重7.2％，达到了节约成本的目的，其中，步骤一所述的CAD软件为SOLIDWORKS软件；其中，步骤一所述的CAE软件为ABAQUS软件；其中，步骤四中的优化平台软件为ISIGHT软件，优化算法为多岛遗传算法。