CN102855359A - 一种汽车车轮变厚度轮辋的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种汽车车轮变厚度轮辋的优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种汽车车轮变截面轮辋的尺寸优化设计方法，尤其涉及一种汽车车轮变厚度轮辋的优化设计方法，属于汽车及机械工程技术领域。

背景技术

无内胎钢制车轮中的轮辐和轮辋两部分分别制造，然后焊接在一起。目前，无内胎钢制车轮的轮辐普遍采用的等强度结构，而无内胎钢制车轮的轮辋则还是按照等厚度结构设计,设计流程是通过反复的“设计—计算（或实验）—修改”来实现的。此种轮辋设计方法有以下不足之处：1、轮辋的截面厚度是按最危险载荷截面设计的，载荷小和载荷大的部位采取相同的厚度。这样，不仅浪费了钢材，也增加了车轮的质量；2、对轮辋尺寸设计的依据主要靠经验，CAE仅用来检验设计结果，而不是用来驱动产品设计，无法得到最优的产品结构，严重增加了设计时间和开发成本。

发明内容

本发明的目的，是为了解决上述问题，提供一种汽车车轮变厚度轮辋的优化设计方法。该方法不但提高了验证校核的准确性，而且设计优化过程“设计—计算—修改”可以自动运行，大大缩短产品开发时间。

本发明所提供的是一种变截面轮辋设计方法，它是集成优化方法，即将优化算法和CAD建模、CAE分析集成，首先建立CAD参数化模型、CAE分析模型，选择具有代表性的截面设计参数进行建模分析，优化器对这些模型进行优化，寻找最优的设计参数取值。

本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明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的含义见图2，它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：

$W_r=W_0\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_0}\right)$ （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：

$W=b{\∫}_{-{\mathrm{\θ}}_0}^{{\mathrm{\θ}}_0}{W}_r{r}_b\mathrm{d\θ}$

$W=4b{r}_b{\mathrm{\θ}}_0\frac{W_0}{\mathrm{\π}}$

即： $W_0=\frac{\mathrm{W\π}}{4b{r}_b{\mathrm{\θ}}_0}$ （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

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，得到轮辋最大应力，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，这样可以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等作为设计参数，导出轮辋几何STP格式文件供步骤三的CAE软件使用；

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；

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。

步骤四：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，等截面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，不断重复步骤二、三，直到得到最优结果。

其中，步骤一中所述的CAD软件为SOLIDWORKS软件。

其中，步骤一中所述的CAE软件为ABAQUS软件。

其中，步骤四中所述的优化平台软件为ISIGHT软件，优化算法为多岛遗传算法。

本发明的优点在于：(1)轮辋为从中间向两边逐渐变薄的等强度变截面结构,按轮辋截面所受载荷的大小而变化的，载荷大的部位截面厚，载荷小的部位截面薄。这样既降低了质量，又保证了强度。(2)在轮辋设计初期采用CAE分析取代了传统的实验验证校核强度的方法，不但提高了验证校核的准确性，而且设计优化过程“设计—计算—修改”可以自动运行，大大缩短产品开发时间。

附图说明

图1是本发明实施例提供的等强度轮辋优化设计方法的流程图

图2是本发明实施例提供的车轮径向载荷分布示意图

图3是本发明实施例提供的轮辋参数化CAD模型的示意图

图4是本发明实施例提供的轮辋参数化CAD模型截面示意图

图5是本发明实施例提供的轮辐轮辋装配体的网格单元示意图

图6是本发明实施例提供的轮辐轮辋装配体的载荷和边界条件示意图

图7是本发明实施例提供的轮辐轮辋装配体在径向载荷工况下计算所得的应力云图

图8是本发明实施例提供的轮辋优化原理图

图9是本发明实施例提供的轮辋优化后的CAD模型截面示意图

图中符号说明如下：

图2中Bead Seat为载荷作用的位置，即胎圈座。Wr：车轮径向分布力；W₀:最大径向分布力；b：为轮胎座受力宽度；θ₀：径向载荷作用的最大偏转角。

图8中EXCEL表示EXCEL软件，SOLIDWORKS表示三维建模软件SOLIDWORKS软件，ABAQUS表示有限元分析软件ABAQUS软件，ISIGHT表示优化平台软件ISIGHT软件，abaqus.rpt表示存储ABAQUS计算结果最大应力值的文件。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。请参阅图1，图1是本发明实施例提供的等强度轮辋优化设计方法的流程图。

本发明一种汽车车轮变厚度轮辋的优化设计方法，它包括下列步骤：

步骤一：对于本发明实施例提供的轮辋，径向载荷分布如图2所示，具体加载参数如下：

W＝88200/2＝44100N，b=28mm,r_b=280mm,θ₀＝36度，

则： $W_0=\frac{\mathrm{W\π}}{4b{r}_b{\mathrm{\θ}}_0}=7.03\mathrm{Mpa}$

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;

步骤二：如图3、图4所示，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模型导入ABAQUS软件中,模拟其在径向实验下的应力水平，进行下列操作：

a.打开步骤一建立的有限元分析模型，删除原轮辋几何，导入更新后的轮辋几何LW.step文件；

b.如图5、图6所示，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，得到轮辋应力分布，应力云图如图7所示，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。图8为优化原理图，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，优化后的变截面轮辋如图9所示。

Claims (4)

1.一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：

$W_r=W_0\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_0}\right)$ （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：

$W=b{\∫}_{-{\mathrm{\θ}}_0}^{{\mathrm{\θ}}_0}{W}_r{r}_b\mathrm{d\θ}$

$W=4b{r}_b{\mathrm{\θ}}_0\frac{W_0}{\mathrm{\π}}$

即： $W_0=\frac{\mathrm{W\π}}{4b{r}_b{\mathrm{\θ}}_0}$ （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

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，得到轮辋最大应力，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，这样可以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；

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；

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；

步骤四：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，等截面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，不断重复步骤二、三，直到得到最优结果。

2.根据权利要求1所述的一种汽车车轮变厚度轮辋的优化设计方法，其特征在于：步骤一所述的CAD软件为SOLIDWORKS软件。

3.根据权利要求1所述的一种汽车车轮变厚度轮辋的优化设计方法，其特征在于：步骤一所述的CAE软件为ABAQUS软件。

4.根据权利要求1所述的一种汽车车轮变厚度轮辋的优化设计方法，其特征在于：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。

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