鋁合金輪轂受力狀態(tài)的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、鋁合金輪轂不僅是摩托車重要的結(jié)構(gòu)零件．而且又是外觀件、安全件。除了要求其輕量化外，還需要美觀、牢固．通過傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計方法很難找到其最佳平衡點，但用計算機(jī)輔助工程CAE 方法進(jìn)行設(shè)計則是解決此問題的非常有效的手段。如何確保輪轂在性能和使用要求的前提下，減輕輪轂重量、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，已成為我國摩托車設(shè)計制造業(yè)中所要急需解決的問題之一。
　　 本文采用現(xiàn)代設(shè)計方法，對鋁合金輪轂進(jìn)行造型設(shè)計、有限元分析、疲勞壽命預(yù)測及

2、優(yōu)化設(shè)計。首先，使用UG 軟件對鋁合金輪轂進(jìn)行參數(shù)化三維造型設(shè)計；
　　 再根據(jù)摩托車鋁合金輪轂所承受載荷的特點，確定采用安全壽命設(shè)計方法對該輪轂進(jìn)行疲勞分析和名義應(yīng)力法進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測；在A356 鋁合金材料S-N 曲線基礎(chǔ)上，結(jié)合輪轂疲勞壽命的影響因素，繪制出零件的S-N 曲線。其次，按照摩托車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中輪轂疲勞性能的試驗方法，對該輪轂進(jìn)行動態(tài)彎曲疲勞試驗和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的有限元分析，確定出彎矩載荷作用下，應(yīng)力集中區(qū)域主要位于

3、輻條與輪芯過渡圓角處，最大應(yīng)力值為84.061MPa，并預(yù)測出彎曲疲勞壽命為384.7 萬次循環(huán)，滿足設(shè)計要求，存在優(yōu)化的潛力；在扭矩載荷作用下，應(yīng)力集中部位是輪輻靠近輪芯的圓弧處以及輪輻與輪輞交接的圓角處，最大應(yīng)力值為42.319MPa，并預(yù)測出扭轉(zhuǎn)疲勞壽命為2386 萬次循環(huán)，不僅滿足設(shè)計要求，還存在更大的優(yōu)化潛能。再次，根據(jù)上述兩個試驗的有限元分析結(jié)果并結(jié)合國內(nèi)實際鑄造工藝水平找到輪轂結(jié)構(gòu)的最終優(yōu)化設(shè)計方案：減薄輪輻厚度0.5mm

4、，輪輞厚度從原來的5.2mm 減小到4.8mm，輪輻靠近輪芯處過渡圓角的半徑從30mm 增加到60mm。經(jīng)過最終優(yōu)化后的輪轂應(yīng)力分布更加均勻，輪轂重量從4.75 公斤減輕到4.49 公斤，比優(yōu)化前減輕了5.5％；得出優(yōu)化后輪轂的彎曲疲勞壽命為49.71 萬次循環(huán)，比優(yōu)化前降低了87.1％；扭轉(zhuǎn)疲勞壽命為428.3 萬次循環(huán)，比優(yōu)化前降低了82.1％，但輪轂的疲勞壽命值仍然滿足設(shè)計要求，在規(guī)定使用期內(nèi)，不會發(fā)生疲勞破壞，所以該優(yōu)化結(jié)果是可