张武冠

（方盛车桥（柳州）有限公司，广西 柳州 545006）

有限元分析在汽车前轮毂设计中的应用

张武冠

（方盛车桥（柳州）有限公司，广西 柳州 545006）

用绘图软件UG建立汽车前轮毂的三维模型，并利用有限元分析软件Altair Hypermesh分别对前轮毂的静载工况 、冲击工况、侧滑工况、紧急制动工况进行有限元受力分析，通过分析结果对该零件的设计进行评价及优化。

Altair Hypermesh；汽车前轮毂；有限元分析

前轮毂是汽车车桥的一个重要部件，它连接制动盘或制动鼓，起到承载汽车、传递动力的作用。随着有限元技术的发展，在产品的设计研发阶段运用有限元分析的技术，能大大的降低设计者时间，缩短产品的开发周期，降低产品的开发成本。

1　理论依据

运用有限元分析软件Altair Hypermesh对汽车前轮毂进行有限元分析计算。通过分析应力、位移云图，对应力过于集中的部位进行优化，从而提高前轮毂的使用性能。

2　客车前轮毂优化前、后有限元分析

2.1前轮毂优化前有限元模型的建立

利用UG建立前轮毂三维实体模型，如图1所示。根据前轮毂装配情况，增加钢圈以及制动盘的UG简易模型，如图2所示。

图1　前轮毂三维模型

2.2网格划分

将该结构模型导入有限元分析软件Altair Hypermesh，按照单元大象10mm，公差0.5mm对装配结构零件进行网格划分，如图2所示。

图2　轮毂配简易图及有限元分析

2.3前轮毂的材料参数确定

前轮毂材料选用QT450-10A，材料参数如表1所示。

表1　轮毂材料参数表

2.4受力工况计算

根据前轮毂实际使用情况，整桥载重为6500Kg。运用以下计算公式分别对轮毂进行静载工况 、冲击工况、侧滑工况、紧急制动的受力计算。

静载工况：

式中：

M-整桥载重，kg；

g-重力加速度

冲击工况（3.5倍载荷）：

式中：

M-整桥载重，kg；

g-重力加速度

侧滑工况：

式中：

M-整桥载重，kg；

g-重力加速度

μ-摩擦系数

紧急制动：

式中：

M-整桥载重，kg；

g-重力加速度

μ-摩擦系数

2.5有限元约束及载荷分析

通过Altair Hypermesh软件分别对轮毂的静载工况 、冲击工况、侧滑工况、紧急制动进行边界条件加载及有限元受力分析。约束轮毂两轴承位，在轮距位置通过对钢圈施加作用力，如图3，图4。

图3　静载工况和冲击工况施加作用力位置

图4　从左至右依次为侧滑工况和紧急制动工况施加作用力位置

分析结果如图5所示，从左至右依次为静载工况 、冲击工况、侧滑工况、紧急制动工况的分析结果示图。

图5　分析结果

2.6各工况安全系数计算及分析

分别对各工况的安全系数进行计算，计算结果见表2。

表2　各工况安全系数计算及分析

根据分析结果，侧滑工况产生应力较大，在R圆角区域安全系数较低，说明该区域结构不合理，无法满足使用工况的要求，在使用过程中存在质量隐患。因此必须对该区域结构进行优化。

2.7零件的优化和有限元分析

根据以上的分析结构，对轮毂结构进行优化。按方案一和方案二所示分别将轮毂两处圆角增大。

图6　优化方案一和方案二

根据以上步骤，重新对优化后的轮毂侧滑工况进行分析。分析结果如图7、图8。

图7　优化方案一分析结果

图8　优化方案二分析结果

安全系数计算，见表3。前轮毂优化方案一侧滑工况下安全系数增至1.2，方案二侧滑工况下安全系数增至1.3，故选择方案二对轮毂进行优化。

表3　优化后各工况安全系数计算及分析

3　结论

通过UG软件建立汽车前轮毂的三维模型，结合有限元分析软件Altair Hypermesh分别对前轮毂简易装配总成的静载工况 、冲击工况、侧滑工况、紧急制动工况进行有限元受力分析，得到前轮毂所受到的应力分布图，从而能核算出选取不同材料的前轮毂的安全系数。最后通过分析结果对该零件的设计进行评价和优化。此分析方法对其他零部件设计分析具有重要的借鉴意义，它能在零件开发阶段模拟出其受力情况，从而分析产品的性能，找出零件结构的薄弱环节并优化。这能大大缩短开发周期，提高产品质量，减少开发后期的试验次数和试验成本。

［1］ 余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］ 陈家瑞.汽车构造［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［3］ 李建功.机械设计［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［4］ 张洪武，关振群.有限元分析与CAE技术基础［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［5］ 付亚兰，谢素明.基于Hypermesh的结构有限元建模技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2015.

图4　原始曲线与去噪后曲线

即原先含噪还原曲线的还原终点为62.6%，校正后的结果为59.3%。如果为定位更加精确，还可以利用“Zoom”功能选择感兴趣的部分将图形放大。

5　结论

利用Daubechies小波，结合Matlab小波分析工具箱的GUI功能，可以十分方便将含噪球团矿还原曲线的噪声进行降噪，从而达到结果校正的目的。同时由于减少了试验次数，也节省了试验费用，按某实验室一年试验2000个样品校正率5%计，则需要100次试验需要校正，校正一次节省电288度，计110元（0.38元/度，动力电），节省2瓶还原气和2瓶保护气，费用2200元（还原气1000元/瓶、保护气100元/瓶，双试验），共计节省直接费用23.1万元/年。当然，也节省了100个工作日/人台的设备人工占用费用。

【参考文献】

［1］ 应海松.球团矿相对还原度检测结果偏差的研究［J］.金属矿山，2002（7）：19-21.

［2］ 高成.MATLAB小波分析与应用［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［3］ 卢小泉.分析化学中的小波分析技术［M］.北京：化学工业出版社，2006.

Finite element analysis in the design of automotive front wheel hub

In this paper， the three-dimensional model of the software UG to automotive front wheel hub， and use of finite element analysis software Altair Hypermesh the hub for static stess analysis， get the part of stress contours， provide a valuable reference for the rational design of part.

Altair Hypermesh； automotive front wheel hub； finite element analysis

U46

A

1008-1151（2016）03-0044-03

2016-02-13

张武冠（1987-），男，广西玉林人，方盛车桥（柳州）有限公司助理工程师，从事商用车车桥及其零部件的研发和应用。