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作者：

张荣鑫

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摘要：

当前,随着人们对汽车减重、节能、降耗的呼声不断高涨,汽车轻量化需求日益增加。作为汽车重要结构件的铝合金轮毂,因其轻量化及减震效果明显,已成为汽车轮毂的最佳选择,并逐渐取代钢制轮毂占据了汽车轮毂应用的主导地位。铝合金轮毂的结构性能能够明显影响整车运行的安全性,因此,开展铝合金轮毂的结构优化与性能研究,对提高铝合金轮毂质量,改善车辆性能、实现汽车轻量化及节能减排具有重要意义。本文以HJ309铝合金轮毂为研究对象,给出了原始轮毂的结构特征及性.能试验标准,并根据轮毂的动态弯曲疲劳试验标准、径向疲劳试验标准和13°冲击试验标准,确定了轮毂的边界条件。应用三维造型软件绘制轮毂的几何模型,利用有限元ABAQUS分析软件,建立了铝合金轮毂的有限元分析模型,并根据轮毂性能试验标准及边界条件对其结构性能进行了模拟分析,在此基础上进行了结构优化,并通过试验进行验证。结果表明:原始结构轮毂在弯曲加载方向为距轮毂窗口中心线20°的位置时,轮毂应力及应变达到最大值,分别为119.3MPa和0.1766%;在径向加载方向0°(窗口中心线)时,轮毂应力及应变达到最大值,分别为128.1MPa和0.1693%;在冲击试验中,正对轮辐冲击加载时轮毂的应力和应变最大,分别为166.6MPa和0.1874%,其中冲击加载时轮毂的最大应力值出现在螺栓孔部位,该应力值较大是由于此处施加固定约束所导致的,而其他部位的应力值小于100MPa。三种试验条件下,轮毂应力值均小于材料的屈服强度,原始结构轮毂强度存在富余,可以对其进行轻量化设计。通过在轮辐部位设置凹槽可以满足轮毂拓扑优化的形状要求,通过正交试验法确定了轮辐凹槽的最优尺寸为深度尺寸为35mm,长度尺寸为50mm,宽度尺寸为28mm,在此尺寸下,轮毂的体积减少率可以达到5.99%。根据轮毂的性能试验标准及边界条件对优化结构轮毂进行了有限元模拟与分析,与原始结构轮毂的模拟结果相比,优化后的轮毂弯曲加载条件下的应力值略有增大,径向加载条件下的应力值明显降低,而冲击加载条件下的应力值略有增加,但三种试验条件下的轮毂应力值均未超过材料的屈服强度,且轮毂应变值均较低,优化后的轮毂性能不仅可以满足性能要求,而且实现了轮毂的轻量化目的。按照性能试验标准对轮毂进行了弯曲疲劳试验、径向疲劳试验和冲击试验,并通过目测与着色探伤方法检查试验后的轮毂。性能试验结果表明,优化结构的轮毂在三种性能试验条件下,性能满足标准要求,均未发生裂纹及严重变形的情况,试验结果与模拟结果吻合较好。

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关键词：

铝合金轮毂 有限元分析 性能 拓扑优化 正交试验