CN113255056A

CN113255056A - 一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法

Info

Publication number: CN113255056A
Application number: CN202110488171.3A
Authority: CN
Inventors: 闫佳奇; 董向坤; 李军; 顾永涛; 刘斌; 刘敏; 夏昌兴; 张正杰; 张荣学; 陈长青
Original assignee: FAW Group Corp
Current assignee: FAW Group Corp
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2041-05-06
Also published as: CN113255056B

Abstract

本发明公开了一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法,属于轮毂设计技术领域，包括：使用PTC Creo仿真软件建模及评估铝合金轮毂的基准对比，得到碳纤维复合材料轮毂概念模型数据；根据铝合金轮毂造型以及碳纤维复合材料轮毂概念模型数据得到碳纤维复合材料轮毂结构模型；对碳纤维复合材料轮毂结构模型利用ANSYS软件进行有限元分析得到预测结果；通过预测结果对碳纤维复合材料轮毂结构模型进行优化设计得到最终碳纤维复合材料轮毂结构模型。本发明公开了一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法，重量减少50％以上，并且通过复合材料铺层可行性设计，提前预知整体式方案技术可行，最后经过样件试制来进行验证。

Description

一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法

技术领域

本发明公开了一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法,属于轮毂设计技术领域。

背景技术

当前主流的轮毂材料选择铝合金，其中百分之八十左右的铝合金轮毂采用铸造工艺，少量高性能轮毂采用锻造工艺。另外的材料有钢、镁合金及碳纤维复合材料。碳纤维复合材料相较于铝合金轮毂重量减轻约50％左右，其优异的力学性能、耐热性及耐疲劳能力，较轻的轮毂使得汽车有更好的制动等动力学性能，性能安全性及环保性都得到提高。

国外有少量整体成型碳纤维轮毂设计案例，但是国内在此块仍为空白。为填补国内现有技术的空白，从金属轮毂中分析工况及目标性能要求，解决碳纤维轮毂结构设计、有限元仿真及碳纤维增强复合材料铺层设计问题。

专利采用高性能碳纤维复合材料，进行CFRP结构铺层设计、连接设计、CAE建模与仿真分析，性能验证等。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提出一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法，本发明设计了在原有铝合金轮毂的外形下进行复合材料优化设计，运用有限元软件，分析碳纤维轮毂的静强度及动强度，解决碳纤维零部件的结构设计优化、性能评价、连接评价等技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法,包括如下步骤：

步骤S10，使用PTC Creo仿真软件建模及评估铝合金轮毂的基准对比，得到碳纤维复合材料轮毂概念模型数据；

步骤S20，根据铝合金轮毂造型以及碳纤维复合材料轮毂概念模型数据得到碳纤维复合材料轮毂结构模型；

步骤S30，对碳纤维复合材料轮毂结构模型利用ANSYS软件进行有限元分析得到预测结果；

步骤S40，通过预测结果对碳纤维复合材料轮毂结构模型进行优化设计得到最终碳纤维复合材料轮毂结构模型。

优选的是，所述步骤S10包括：

步骤S101，获取铝合金轮毂的基准数据；

步骤S102，利用使用PTC Creo仿真软件建立碳纤维复合材料模型，通过铝合金轮毂的基准数据得到碳纤维复合材料轮毂概念模型数据。

优选的是，所述步骤S30包括：

步骤301，根据铝合金轮毂不同的区域受力特点和碳纤维复合材料轮毂结构模型得到碳纤维复合材料轮毂铺层设计；

步骤S302，将碳纤维复合材料轮毂结构模型导入Hypermesh软件中进行网格的划分；

步骤S303，利用ANSYS软件进行建模对碳纤维复合材料轮毂的载荷和边界条件进行处理以及结构性能分析得到预测结果。

优选的是，所述载荷和边界条件包括：过压、轴向刚度和径向刚度。

优选的是，所述载荷和边界条件还包括：扭转刚度、转向疲劳和双轴疲劳载荷工况。

优选的是，所述载荷和边界条件还包括：径向冲击和13度冲击。

优选的是，所述步骤S40包括：

步骤S401，通过预测结果得到最难达到要求的工况；

步骤S402，通过所述最难达到要求的工况得到解决方案，通过所述解决方案对碳纤维复合材料轮毂结构模型进行改进得到碳纤维复合材料轮毂过程结构模型；

步骤S403，对所述碳纤维复合材料轮毂过程结构模型运行最难达到要求的工况判断解决方案的有效性；

步骤S404，通过所述解决方案的有效性和碳纤维复合材料轮毂过程结构模型得到最终碳纤维复合材料轮毂结构模型。

优选的是，所述解决方案为2-4个，所述碳纤维复合材料轮毂过程结构模型和解决方案的有效性个数与解决方案相对应。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明公开了一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法，基于原铝合金轮毂进行复合材料设计，产品的性能满足相应要求的前提下，重量减少50％以上，整体式结构设计为碳纤维轮毂的设计提出参考。并且通过复合材料铺层可行性设计，提前预知整体式方案技术可行，最后经过样件试制来进行验证。

附图说明

图1，本发明一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法的流程图。

图2，本发明一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法的流程图。

图3，本发明一种整体式碳纤维复合材料轮毂铺层截面示意图。

图4，本发明一种整体式碳纤维复合材料轮毂有限元网格模型示意图。

图5，本发明一种整体式碳纤维复合材料轮毂轴向刚度工况示意图。

图6，本发明一种整体式碳纤维复合材料轮毂径向刚度工况示意图。

图7，本发明一种整体式碳纤维复合材料轮毂扭转刚度工况示意图。

图8，本发明一种整体式碳纤维复合材料轮毂转向疲劳工况示意图。

图9，本发明一种整体式碳纤维复合材料轮毂转向疲劳工况示意图。

图10，本发明一种整体式碳纤维复合材料轮毂转向疲劳工况示意图。

图11，本发明一种整体式碳纤维复合材料轮毂双轴疲劳工况示意图。

图12，本发明一种整体式碳纤维复合材料轮毂双轴疲劳工况示意图。

图13，本发明一种整体式碳纤维复合材料轮毂径向冲击工况示意图。

图14，本发明一种整体式碳纤维复合材料轮毂13°冲击工况示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-2所示，本发明实施例提供了一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法,包括如下步骤：

步骤S101，获取铝合金轮毂的基准数据。

首先对金属轮毂进行一系列的刚性载荷进行分析，研究目的是评估碳纤维复合材料轮毂的设计对标金属轮毂结构性能的可行性。

使用PTC Creo仿真软件建模及评估铝合金轮毂的基准，并且经过仿真分析对比复合材料模型及运算结果；

使用包含载荷、约束及结果后处理的方法对碳纤维模型进行分析从而确保两组结果具有可对比性；需要计算的刚度情况有：轴向刚度(与轮辐对齐的载荷)、径向刚度和扭转刚度，头脑风暴后有四款结构方案，以下定义为概念1/2/3/4，性能见下表1。

表1铝合金轮毂与碳纤维复合材料轮毂数据对比表

以减重为目标，根据刚度目标创建和分析了复合材料模型。概念3&4体现了最好的性能的结构设计，但是制造起来比来概念1和2存在很大困难。因此，后期持续优化的具有最大设计空间的概念2。并认为通过形状上优化、在不冒大的制造风险情况下，减重可达到40％以上。

步骤S20，根据铝合金轮毂造型以及碳纤维复合材料轮毂概念模型数据得到碳纤维复合材料轮毂结构模型。

设计基于铝合金的造型进行复合材料设计，概念设计进行了多个方案论证，从结构性能、工艺可行性及成本角度综合分析，最后形成如下图结构方案。碳纤维轮毂结构轮辐部分尾端侧壁延伸。此优化设计增加了轮辐U型部分的刚度及整体强度，从而达到减重目的。在与车身连接处设计金属结构作为安装面，满足长期轮毂更换需求及使用时磨损的需求。

步骤S30，对碳纤维复合材料轮毂结构模型利用ANSYS软件进行有限元分析得到预测结果。

步骤301，根据铝合金轮毂不同的区域受力特点和碳纤维复合材料轮毂结构模型得到碳纤维复合材料轮毂铺层设计，如图3所示。

轮毂铺层根据区域设计，在不同的区域受力特点不一样，同时需要设计局部坐标系。轮辋区域主要的环向铺层焦点，轮辐区域径向坐标系，该区域的铺层也是径向铺层为主。

步骤S302，将碳纤维复合材料轮毂结构模型导入Hypermesh软件中进行网格的划分，如图4所示。

轮毂模型由98,000个壳体(冲击区S4和S3，S4R和S3R其他地方)32,000个实体和30,000个桁架单元组成。层合板的壳单元使用壳剖面，复合材料，属性并且将其定义为多层通过绑缚连接在一起的模型。壳元素定义在子层的名义中心面上,即如果使用两个壳层(捆绑在一起)定义局部层压板,那么每个壳单元层位于从层压板对立面的局部总厚度大约1/4处。壳单元的铺层属性采用ABQ_PLY_FABRIC Abaqus子例程，其带有织物和单向材料的属性。在层分离的空洞区域被建模为不连接的空洞，例如在辐条外端和边缘之间的区域，这些区域将需要(泡沫)填充，并且确保填充区域不外漏泡沫。

1、过压

完全施加在轮辋上8bar压力，将81940N的力施加在轮辋胎圈内侧及胎圈外侧壁上来表针轮辋内缘对轮胎本身的压力反应，并且约束轮毂中心螺栓连接孔。

2、轴向刚度

载荷施加在轮辋圆形补片上，通过RBE约束轮毂的螺栓孔位周围，施加载荷为5024N，如图5所示。

3、径向刚度

在轮胎胎圈内侧充气口区域施加载荷，通过RBE约束轮毂的螺栓孔位周围，施加载荷为5024N，如图6所示。

4、扭转刚度

以轮辋中心和5个螺栓孔建立RBE2单元，在轮辋中心施加力矩，相当于在螺栓孔位置施加的力。同时给轮辋胎圈内侧施加载荷，另一侧给轮辋胎圈外侧施加约束，如图7所示。

5、转向疲劳

将载荷施加在0.76m的梁上，向轮辋内边缘的半径处施加约束(标绿区域)，如图8-10所示。

公式中

f＝因子

Fr＝静态轮毂载荷

μ＝握紧系数

rdyn＝滚动半径

e＝轮毂偏移量

假设:

2x(990x 9.81)x(0.9x 0.364+0.071)＝7742.3Nm

F＝7742.3/0.76＝10,187N

分析后单位载荷,F＝10,187N

6、双轴疲劳-垂直&侧面载荷工况

在轮辋的内外边缘施加单位载荷，约束整个轮毂，在阀孔附近的孔上施加载荷，如图11-12所示。

7、径向冲击

重量为315kg的落物，速度5.2m/s，冲积物为弹性固定结构，为了简化模拟省略了轮胎(轮胎吸能小于10％，大大增加模拟时间，产生较大能量偏差)，如图13所示。

8、13°冲击

落物从高度230mm落下，轮毂夹持在简支梁固定结构上，为了简化模拟省略了轮胎(轮胎吸能小于10％，大大增加模拟时间，产生较大能量偏差)，如图14所示。

步骤S401，通过预测结果得到最难达到要求的工况。

我们选择这种工况来进行一些进一步的研究应力水平和高应力水平的原因。从这个分析，假设了一个解决方案，并应用到这个模型。

步骤S402，通过最难达到要求的工况得到解决方案，通过所述解决方案对碳纤维复合材料轮毂结构模型进行改进得到碳纤维复合材料轮毂过程结构模型；

步骤S403，对碳纤维复合材料轮毂过程结构模型运行最难达到要求的工况判断解决方案的有效性，所述解决方案为2-4个，本实施例为4个，碳纤维复合材料轮毂过程结构模型和解决方案的有效性个数与解决方案相对应。

步骤S404，通过解决方案的有效性和碳纤维复合材料轮毂过程结构模型得到最终碳纤维复合材料轮毂结构模型。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法,其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法，其特征在于，所述步骤S10包括：

步骤S101，获取铝合金轮毂的基准数据；

3.根据权利要求1所述的一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法，其特征在于，所述步骤S30包括：

4.根据权利要求3所述的一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法，其特征在于，所述载荷和边界条件包括：过压、轴向刚度和径向刚度。

5.根据权利要求4所述的一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法，其特征在于，所述载荷和边界条件还包括：扭转刚度、转向疲劳和双轴疲劳载荷工况。

6.根据权利要求4或5所述的一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法，其特征在于，所述载荷和边界条件还包括：径向冲击和13度冲击。

7.根据权利要求1所述的一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法，其特征在于，所述步骤S40包括：

步骤S401，通过预测结果得到最难达到要求的工况；

8.根据权利要求7所述的一种整体式碳纤维复合材料轮毂的设计方法，其特征在于，所述解决方案为2-4个，所述碳纤维复合材料轮毂过程结构模型和解决方案的有效性个数与解决方案相对应。