CN109598023A - 一种高强度车轮轮辐结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度车轮轮辐结构设计方法，包括以下步骤：1）建立轮辐参数化模型；2）建立轮辐有限元模型；3）对步骤2）得到的有限元模型进行实验设计；4）建立轮辐近似模型；5）对步骤4）得到的近似模型进行优化，直到得到最优结果。本发明通过对9个关键参数的建模，可以更好地贴近现实，能从全局范围内完成所有组合方案的对比，提高了产品设计可靠性；本设计方法在有限元模型的基础上增加了近似模型的构建与优化，大大缩短了产品的开发时间，也使得产品的设计精度有的很大的提升。
Description
技术领域
本发明涉及汽车及机械工程技术领域，尤其涉及一种高强度车轮轮辐结构设计方法。
背景技术
车轮是汽车的关键部件，其重量直接影响整车油耗，近年来，客户对车轮轻量化要求越来越高，产品开发人员除了研究高强度材料的使用，更重要的是根据车轮设计边界条件，设计出一种最优的高强度结构，通过减少材料厚度来降低重量；
轮辐结构强度主要由9个关键参数共同影响，每个参数都有一个变化范围，这些参数有成百上千种组合，如何确定每一个参数值，找到同等料厚下最优结构组合方案，是车轮研发人员一直关注的技术难题，
传统设计方法主要采用经验设计，通过人工修改参数，反复建模，然后进行CAE对比分析，花大量的时间也很难找到最优结构，虽然后来采用优化软件对有限元模型进行优化，进一步降低了设计周期，但由于有限元模型还是比较复杂，动诸几天的计算周期对于本来就紧张的开发周期来说还是太长了，这样的设计方法会严重影响产品开发进度，甚至丢掉产品开发资格。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的缺陷和不足，提供一种设计周期短、计算精度高的高强度车轮轮辐结构设计方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：
一种高强度车轮轮辐结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）建立轮辐参数化模型：依据开发技术要求及制动钳轮廓确定轮辐初始形状，利用CAD软件对车轮轮辐进行参数化建模，对轮辐9个关键尺寸R1、R2、R3、R4、R5、R6、D、H、A 进行参数化，导出关键参数表文件.txt；进行宏程序的录制以及脚本运行程序的编写，能通过脚本运行宏程序自动实现轮辐模型的更新；
2）建立轮辐有限元模型：将步骤1）得到的参数化模型导入CAE软件中，进行车轮弯曲加载有限元模型的搭建，具体操作如下：
①将轮辐3D参数化模型和制动钳3D模型导入CAE软件中进行接触应力分析；
②将轮辐3D参数化模型导入CAE软件中进行弯曲加载最大应力分析；
3）对步骤2）得到的有限元模型进行实验设计，具体操作如下：
①对步骤2）中的分析操作指令进行批处理操作，使得CAE建模与分析能够自动运行；
②在优化软件中对轮辐9个关键参数进行实验设计与计算，采用优化拉丁方对输入采样点的空间分布进行优化，保证设计点在空间尽可能的均匀分布，采样数目≥55个，提交计算得到实验设计结果，并对结果进行评价，导出结果文件；
4）建立轮辐近似模型：在优化软件中，将步骤3）生成的结果文件导入，采用创建响应面模型方法进行近似模型的建立，定义R1、R2、R3、R4、R5、R6、D、H、A 共9个参数为输入因子，接触应力和最大应力为响应因子，拟合成近似模型，对近似模型进行误差分析，控制误差＜5%；
5）对步骤4）得到的近似模型进行优化，选取轮辐9个关键参数R1、R2、R3、R4、R5、R6、D、H、A 为设计变量，以轮辐最大接触应力为0为约束条件，轮辐最大应力最小化为优化目标，直到得到最优结果。
所述步骤1）中①的具体操作如下：赋予材料属性，装配、创建分析步、提取轮辐内表面与卡钳外表面，创建接触关系、网格划分、提交计算，得到最大接触应力；输出轮辐最大接触应力到touch_stress.rpt文件，并将本次操作的指令记录导入到touch.py文件中。
所述步骤1）中②的具体操作如下：创建加载参考点、赋予材料属性，装配、创建分析步、参考点与安装面耦合约束、载荷加载和边界约束、网格划分、提交计算，得到最大弯曲应力；输出轮辐最大接触应力到load_stress.rpt文件，并将本次操作的指令记录导入到load.py文件中。
所述步骤3）中①的具体操作包括：编写运行touch.py的批处理运行程序run_touch.bat、编写运行load.py的批处理运行程序run_load.bat。
所述步骤3）、4）、5）中的优化软件为集成了CATIA和ABAQUS软件的Isight平台，所述步骤5）中的优化算法为多岛遗传算法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过对9个关键参数的建模，可以更好地贴近现实，能从全局范围内完成所有组合方案的对比，提高了产品设计可靠性；本设计方法在有限元模型的基础上增加了近似模型的构建与优化，大大缩短了产品的开发时间，也使得产品的设计精度有了很大的提升。
附图说明
图1是本发明的设计流程图。
图2是本发明实施提供的车轮轮辐参数化CAD模型示意图。
图3是本发明实施提供的制动钳CAD模型示意图。
图4是本发明实施提供的计算车轮弯曲加载轮辐与制动钳接触CAE模型示意图。
图5是本发明实施提供的车轮轮辐弯曲强度CAE模型图。
图6是本发明实施提供的是采用优化拉丁方得到的DOE样本点。
图7是本发明实施提供的是采用创建响应面模型，得到的近似模型误差分析示意图。
图8是本发明优化前后轮辐结构曲线对比。
图9是本发明优化前的轮辐最大应力云图。
图10是本发明优化后的轮辐最大应力云图。
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。本发明的设计流程图参见图1。
一种高强度车轮轮辐结构设计方法，包括以下步骤：
1）建立轮辐参数化模型：依据开发技术要求及制动钳轮廓确定轮辐初始形状，利用CAD软件对车轮轮辐进行参数化建模，对轮辐9个关键尺寸R1、R2、R3、R4、R5、R6、D、H、A 进行参数化，导出关键参数表文件.txt；进行宏程序的录制以及脚本运行程序的编写，能通过脚本运行宏程序自动实现轮辐模型的更新，轮辐模型示意图和制动钳模型示意图参见图2-图3；
2）建立轮辐有限元模型：将步骤1）得到的参数化模型导入CAE软件中，进行车轮弯曲加载有限元模型的搭建，具体操作如下：
①将轮辐3D参数化模型和制动钳3D模型导入CAE软件中进行接触应力分析，赋予材料属性，装配、创建分析步、提取轮辐内表面与卡钳外表面，创建接触关系、网格划分、提交计算，得到最大接触应力；输出轮辐最大接触应力到touch_stress.rpt文件，并将本次操作的指令记录导入到touch.py文件中；
②将轮辐3D参数化模型导入CAE软件中进行弯曲加载最大应力分析，创建加载参考点、赋予材料属性，装配、创建分析步、参考点与安装面耦合约束、载荷加载和边界约束、网格划分、提交计算，得到最大弯曲应力；输出轮辐最大接触应力到load_stress.rpt文件，并将本次操作的指令记录导入到load.py文件中；车轮弯曲加载轮辐与制动钳接触CAE模型示意图参见图4，车轮轮辐弯曲强度CAE模型图参见图5，车轮弯曲加载应力云图参见图6；
3）对步骤2）得到的有限元模型进行实验设计，具体操作如下：
①编写运行touch.py的批处理运行程序run_touch.bat、编写运行load.py的批处理运行程序run_load.bat，通过运行批处理程序，使得CAE建模与分析能够自动运行；
②在Isight中对轮辐9个关键参数进行实验设计与计算，采用优化拉丁方对输入采样点的空间分布进行优化，保证设计点在空间尽可能的均匀分布，采样数目最小满足（9+1）*（9+2）/2=55个，提交计算得到DOE结果，并对结果进行评价，导出结果文件，DOE样本文件参见图7；
4）建立轮辐近似模型：在Isight中，将步骤3）生成的结果文件导入，采用创建响应面模型方法进行近似模型的建立，定义R1、R2、R3、R4、R5、R6、D、H、A 共9个参数为输入因子，接触应力和最大应力为响应因子，采用三阶多项式拟合成近似模型，对近似模型进行误差分析，控制误差＜5%，近似模型误差分析示意图参见图8；
5）对步骤4）得到的近似模型进行优化，选取轮辐9个关键参数R1、R2、R3、R4、R5、R6、D、H、A 为设计变量，以轮辐最大接触应力为0为约束条件，轮辐最大应力最小化为优化目标，选用多岛遗传算法进行优化，直到得到最优结果。
优化前的轮辐最大应力云图参见图9，轮辐最大应力364MPa；优化后的轮辐最大应力云图参见图10，轮辐应力为269.07MPa，应力降低26.1%，优化结果参见下表
Claims (5)
1.一种高强度车轮轮辐结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）建立轮辐参数化模型：依据开发技术要求及制动钳轮廓确定轮辐初始形状，利用CAD软件对车轮轮辐进行参数化建模，对轮辐9个关键尺寸R1、R2、R3、R4、R5、R6、D、H、A 进行参数化，导出关键参数表文件.txt；进行宏程序的录制以及脚本运行程序的编写，能通过脚本运行宏程序自动实现轮辐模型的更新；
2）建立轮辐有限元模型：将步骤1）得到的参数化模型导入CAE软件中，进行车轮弯曲加载有限元模型的搭建，具体操作如下：
①将轮辐3D参数化模型和制动钳3D模型导入CAE软件中进行接触应力分析；
②将轮辐3D参数化模型导入CAE软件中进行弯曲加载最大应力分析；
3）对步骤2）得到的有限元模型进行实验设计，具体操作如下：
①对步骤2）中的分析操作指令进行批处理操作，使得CAE建模与分析能够自动运行；
②在优化软件中对轮辐9个关键参数进行实验设计与计算，采用优化拉丁方对输入采样点的空间分布进行优化，保证设计点在空间尽可能的均匀分布，采样数目≥55个，提交计算得到实验设计结果，并对结果进行评价，导出结果文件；
4）建立轮辐近似模型：在优化软件中，将步骤3）生成的结果文件导入，采用创建响应面模型方法进行近似模型的建立，定义R1、R2、R3、R4、R5、R6、D、H、A 共9个参数为输入因子，接触应力和最大应力为响应因子，拟合成近似模型，对近似模型进行误差分析，控制误差＜5%；
5）对步骤4）得到的近似模型进行优化，选取轮辐9个关键参数R1、R2、R3、R4、R5、R6、D、H、A 为设计变量，以轮辐最大接触应力为0为约束条件，轮辐最大应力最小化为优化目标，直到得到最优结果。
2.根据权利要求1所述的高强度车轮轮辐结构设计方法，其特征在于，所述步骤1）中①的具体操作如下：赋予材料属性，装配、创建分析步、提取轮辐内表面与卡钳外表面，创建接触关系、网格划分、提交计算，得到最大接触应力；输出轮辐最大接触应力到touch_stress.rpt文件，并将本次操作的指令记录导入到touch.py文件中。
3.根据权利要求1所述的高强度车轮轮辐结构设计方法，其特征在于，所述步骤1）中②的具体操作如下：创建加载参考点、赋予材料属性，装配、创建分析步、参考点与安装面耦合约束、载荷加载和边界约束、网格划分、提交计算，得到最大弯曲应力；输出轮辐最大接触应力到load_stress.rpt文件，并将本次操作的指令记录导入到load.py文件中。
4.根据权利要求1所述的高强度车轮轮辐结构设计方法，其特征在于，所述步骤3）中①的具体操作包括：编写运行touch.py的批处理运行程序run_touch.bat、 编写运行load.py的批处理运行程序run_load.bat。
5.根据权利要求1所述的高强度车轮轮辐结构设计方法，其特征在于：所述步骤3）、4）、5）中的优化软件为集成了CATIA和ABAQUS软件的Isight平台，所述步骤5）中的优化算法为多岛遗传算法。
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