基于有限元模拟的SUV汽车铝合金轮毂轻量化设计

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230192

摘要/Abstract

摘要：

基于有限元分析和性能测试对铝合金汽车轮毂进行轻量化设计.首先，利用ANSYS Workbench对轮毂模型进行结构静力学分析，得到车辆静止满载状态下轮毂的应力和变形分布规律.其次，通过对轮毂前6阶模态的分析，得到轮毂各阶固有频率和变形量，并探明轮毂在发动机和路面激励下的共振规律.然后，在轮毂弯曲疲劳、径向疲劳和冲击仿真的基础上，对轮毂轮辐进行拓扑优化以获得轻量化轮毂模型.最后，对轻量化轮毂进行性能试验，并将轻量化轮毂与原始轮毂的试验结果进行对比，分析优化前后的轮毂各项性能的变化，确保轻量化后的轮毂模型符合强度要求.

关键词: 轮毂, 轻量化设计, 拓扑优化, 有限元分析, 性能测试

Abstract:

Based on the finite element analysis and performance testing， the lightweight design of aluminum alloy wheel hub is carried out. Firstly， the structural static analysis of the wheel hub model is carried out to obtain the stress and deformation distribution of the wheel hub under the static full load state of the vehicle using ANSYS Workbench. Secondly， through the analysis of the first six‑order modes of the wheel hub， the natural frequency and deformation of each order of the wheel hub are obtained， and the resonance law of the wheel hub excited by the engine and the road is proved. Then， according to the wheel hub’s bending fatigue， radial fatigue and impact simulation tests， the topology optimization of the wheel hub spokes is carried out and a lightweight wheel hub model is obtained. Finally， the lightweight wheel hub is tested again， and the testing results of the lightweight wheel hub and the original wheel hub are compared to obtain the performance changes of the wheel hub before and after optimization， so as to ensure that the lightweight wheel hub model still meets the requirement for strength.

Key words: wheel hub, lightweight design, topology optimization, finite element analysis, performance test

中图分类号:

R 331.3

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图/表 21

表1 车辆参数

Table 1 Vehicle parameters

整车质量/kg	最大功率/kW	最大扭矩/（N·m）	变速器传动效率/%	一档传动比	主减速比
1 865	138	252	95	3.5	4.356

图1 原始轮毂模型和静态分析的约束施加图

Fig.1 Original wheel hub model and constraint

表2 A356铝合金材料属性

Table 2 Material properties of A356 aluminum alloy

密度 $ρ$	弹性模量 $E$	泊松比 $μ$	屈服强度
$k g · m - 3$	$G P a$	泊松比 $μ$	$M P a$
2 700	72.4	0.33	239

表2 A356铝合金材料属性

Table 2 Material properties of A356 aluminum alloy

密度 $ρ$	弹性模量 $E$	泊松比 $μ$	屈服强度
$k g · m - 3$	$G P a$	泊松比 $μ$	$M P a$
2 700	72.4	0.33	239

图2 静态分析载荷施加图（a）—压力；（b）—载荷与扭矩.

Fig.2 Load application diagram for static analysis

图3 静态分析云图（a）—总体变形；（b）—等效应力.

Fig.3 Static analysis cloud map

图4 模态分析云图（a）—一阶振型；（b）—二阶振型；（c）—三阶振型；（d）—四阶振型；（e）—五阶振型；（f）—六阶振型.

Fig.4 Modal analysis cloud map

图5 弯曲疲劳试验的约束与载荷

Fig.5 Constraint and load for bending fatigue testing

表3 各角度对应的等效应力值

Table 3 Corresponding quivalent stress values at different angular

角度/（°）	等效应力/MPa	角度/（°）	等效应力/MPa	角度/（°）	等效应力/MPa	角度/（°）	等效应力/MPa
5	102.64	50	103.79	95	109.12	140	106.18
10	105.99	55	103.47	100	112.19	145	104.56
15	108.56	60	102.74	105	114.42	150	102.73
20	110.34	65	102.62	110	115.81	155	102.11
25	111.29	70	104.55	115	116.34	160	102.80
30	111.42	75	105.70	120	116.00	165	102.92
35	110.73	80	106.06	125	114.80	170	102.28
40	109.22	85	105.64	130	112.75	175	100.87
45	106.90	90	105.24	135	109.87	180	101.02

图6 弯曲疲劳试验各方位等效应力分布云图（a）—正面；（b）—背面；（c）—侧面.

Fig.6 Quivalent stress distribution cloud map of multi-direction of bending fatigue testing

图7 径向疲劳试验中的应力和变形云图（a）—应力云图；（b）—变形云图.

Fig.7 Stress and deformation cloud map of radial fatigue testing

表4 冲锤的速度变化

Table 4 Velocity changes of the hammer

t/s	Y轴方向速度/（mm·s^-1）
0.029 6	-248.62
0.029 8	-121.72
0.030 0	18.052
0.030 2	162.79

图8 冲击试验中的应力和变形云图

Fig.8 Stress and deformation cloud map of

图9 拓扑优化流程

Fig.9 Process of topology optimization

图10 拓扑优化结果（a）—轮毂正面；（b）—螺栓孔细节；（c）—轮毂背面；（d）—轮辐背面细节.

Fig.10 Topology optimization results

图11 轻量化设计后的模型（a）—轮毂正面；（b）—螺栓孔；（c）—轮毂背面；（d）—轮毂背面细节.

Fig.11 Model after lightweight design

图12 轻量化设计后模型静态分析云图（a）—等效应力；（b）—变形量.

Fig.12 Model static analysis cloud map after lightweight design

图13 轻量化设计后模态分析云图（a）—一阶振型；（b）—二阶振型；（c）—三阶振型；（d）—四阶振型；（e）—五阶振型；（f）—六阶振型.

Fig.13 Modal analysis cloud map after lightweight design

图14 轻量化设计后弯曲疲劳试验的应力云图（a）—正面应力图；（b）—背面应力图.

Fig.14 Stress cloud map of bending fatigue testing after lightweight design

图15 轻量化设计后径向疲劳试验的应力和变形云图（a）—窗口处载荷应力云图；（b）—窗口处载荷变形云图；（c）—辐条处载荷应力云图；（d）—辐条处载荷节点云图；（e）—辐条处载荷变形云图.

Fig.15 Stress and deformation cloud map of radial fatigue testing after lightweight design

图16 轻量化设计后冲击试验的应力和变形云图（a）—正面应力图；（b）—背面应力图；（c）—变形云图.

Fig.16 Stress and deformation cloud map of impact testing after lightweight design

表5 轻量化设计前后数据对比

Table 5 Comparison of data before and after lightweight design

参数

质量/kg

一阶固有频率/Hz

静态结构

最大应力

弯曲疲劳试验

最大应力

径向疲劳试验

最大应力

冲击试验

最大应力

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