張國智(新鄉(xiāng)學院 機電工程學院，新鄉(xiāng) 453003)

智能制造的意義不單單在強調技術，更是在強調節(jié)能、環(huán)保的制造理念，汽車作為近期無法淘汰的地面交通工具，未來必須要適應智能制造時代的節(jié)能和環(huán)保的發(fā)展理念，因而，關于汽車結構件的各方面的設計均涉及輕量化的問題[1]，對其的研究也已成為熱點之一.隨著研究的逐步深入，取得了一些研究成果，如：對車輛懸架系統(tǒng)的優(yōu)化[2]、汽車驅動軸多目標輕量化優(yōu)化設計[3]、汽車B柱優(yōu)化設計[4]，鎂合金在汽車車身輕量化設計中的應用[5]等.對于汽車而言，主要承載部件最為重要的就是輪轂，隨著整車輕量化的要求，對輪轂的輕量化設計要求也逐漸嚴苛，同時，要求在結構不能大修改時還要保證其抗沖擊性能，因而，關于其拓撲結構及工藝的優(yōu)化控制的研究就十分重要.目前，關于此方面的研究尚不深入、系統(tǒng)，基于此，結合動靜法和有限元分析方法，對輪轂輪緣的結構設計與工藝控制方法進行了深入、系統(tǒng)的研究.

1 門檻沖擊實驗簡介

在測試輪轂抗沖擊能力的實驗是門檻實驗，具體實驗過程是：首先，將輪轂安裝在車上，車以60 km/h的速度撞擊與行進方向成60度的路障，路障為直徑是200 mm的鋼制圓柱，此路障一半露在地上，然后，當車沖過路障后卸下輪子，測量輪轂撞擊處的輪緣凹陷值，以此來測試輪轂強度.輪轂的截面簡圖如圖1所示，門檻實驗簡圖如圖2所示.

圖1 輪轂截面簡圖

圖2 輪轂門檻實驗示意圖

2 基于動靜法的計算方案的提出

門檻實驗是一個非常復雜的瞬間沖擊性實驗，過程復雜，而且，涉及到接觸非線性、材料非線性、幾何非線性多重非線性，整個過程的有限元仿真需要大量的計算時間，有限元模型的前處理建立也非常復雜，研究輪轂抗沖擊性能的結構和工藝因素影響規(guī)律需要多次反復的動態(tài)有限元計算，因而，要得到相關的影響規(guī)律需要大量的計算時間.根據(jù)動靜法，可將整個實驗過程等效為一個靜態(tài)過程，將動態(tài)沖擊的沖擊力作為靜態(tài)計算的施加載荷而建立靜態(tài)等效的非線性有限元模擬，因而，將有效地簡化前處理過程，并且有效降低計算時間，沖擊力可通過動態(tài)的沖擊模擬、理論計算、實驗測試得到，進而可快速而準確地得到輪轂抗沖擊性能的結構和工藝因素影響規(guī)律，具體計算方案如圖3所示.

圖3 門檻實驗動靜法的計算方案

3 有限元模型的建立與驗證

3.1 有限元模型的建立

門檻實驗的等效靜力非線性的有限元模型圖4所示.輪轂中間安裝孔固定約束，門檻與輪胎表面呈30°角，約束門檻的水平與旋轉自由度，在門檻上施加沿垂直方向的等效的沖擊力，輪胎與輪轂、輪胎與門檻間建立非線性接觸，輪胎內部施加0.2 MPa內壓載荷，輪轂材料采用各向同性雙線性硬化彈塑性材料模型，為了保證接觸不丟失幾何特征，輪胎與輪轂輪緣均采用六面體單元.

圖4 有限元模型

3.2 有限元模型的驗證

輪轂材料與幾何主要參數(shù)如表1所示時，進行有限元分析，其有限元分析的變形結果如圖5所示，在圖5中顯示放大倍數(shù)為10倍.門檻實驗后，輪轂最大凹陷處的計算結果為5.24 mm，相對180°位置的徑向突出變形量為1.05 mm，通過門檻實驗測試，有限元計算結果與實測數(shù)據(jù)最大誤差為7.73 %，由此可見等效的靜力非線性有限元分析的計算結果是正確的.

表1 輪轂材料與幾何主要參數(shù)

圖5 輪轂沖擊試驗后的有限元分析的變形

4 輪緣抗沖擊設計與工藝控制

4.1 輪緣抗沖擊影響因素研究

當輪轂的材料參數(shù)如表1所示不變，僅結構參數(shù)t1、t2比表1中的名義值增大或減小20%時，輪緣凹陷曲線如圖6所示.

圖6 幾何參數(shù)變化時輪緣凹陷曲線

從圖6(a)中可見，當僅t2值增大20%時，撞擊后的輪唇處最大凹陷值增大了0.88%；從圖6(b)中可見，當僅t1值減小20%時，撞擊后的輪唇處最大凹陷值增大了0.13%.從圖6中可見，t1、t2參數(shù)變化時輪緣凹陷曲線的變化規(guī)律不同，并且，結構參數(shù)t1、t2均變化10%時，t2對撞擊后的輪唇處最大凹陷值影響較大.

當輪轂的幾何參數(shù)如表1所示不變，僅材料參數(shù)σs、E、D比表1中的名義值增大或減小10%時，輪緣凹陷曲線如圖7所示.

圖7 材料參數(shù)變化時輪緣凹陷曲線

從圖7(a)中可見，當僅屈服強度從152 Mpa減小到136.8 MPa時，撞擊后的輪唇處的最大凹陷值增加了22.7%，而僅屈服強度從152 Mpa增加到167.2 MPa時，撞擊后的輪唇處的最大凹陷值減少了19.5 %；從圖7(b)中可見，當僅彈性模量從75.5 Gpa減小到68 Gpa時，撞擊后的輪唇處的最大凹陷值減小了2.38 %，而當僅彈性模量從75.5 Gpa增加到83 Gpa時，撞擊后的輪唇處的最大凹陷值增加了1.71%；從圖7(c)中可見，當僅應變剛模數(shù)增大或減小10%時，撞擊后的輪唇處的最大凹陷值減小或增大0.27 %，曲線對稱性很好.從圖7中可見，σs、E、D參數(shù)變化時輪緣凹陷曲線的變化規(guī)律不同，并且，當材料參數(shù)有10%波動時，屈服強度對撞擊后的輪唇處最大凹陷值影響較大.

4.2 輪緣結構設計與工藝控制要點

綜上可知，輪轂的輪唇結構尺寸及輪轂在熱處理或其它對輪轂物理性能有較大影響的工藝方面對輪轂的輪緣抗沖擊能力會影響很大.因此，在輪緣結構設計方面要嚴格控制輪唇長度和厚度，在減重方面，建議減小輪緣的厚度；在工藝控制方面，要嚴格控制屈服強度、彈性模量、切線模量3個材料參數(shù)，并且，要尤其注意嚴格控制屈服強度.

5 結 論

1) 在輪轂減重要求下，輪唇處在減小尺寸時應首先減小其厚度尺寸，而不要減小其長度尺寸，此種情況的減重在減掉相同體積材料下對輪轂的抗沖擊性能影響較小.

2) 輪轂的材料性能參數(shù)對其輪緣的抗沖擊性能影響較大，當結構尺寸減小到一定程度時，建議通過工藝控制來提高其材料性能進而通過門檻實驗.

3) 輪轂輪緣的抗沖擊性能與材料的塑性性能較為相關，尤其材料的屈服應力對輪轂的輪緣抗沖擊性能影響最大.

通過本文的研究為輪轂的優(yōu)化設計和工藝控制提供了分析方法和理論依據(jù).

參考文獻：

[1] 郭玉琴, 朱新峰, 楊 艷, 等. 汽車輕量化材料及制造工藝研究現(xiàn)狀[J]. 鍛壓技術, 2015,40(3):1-6.

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[5] 任蘭柱, 董瑞君, 徐 洪, 等. 鎂合金在汽車車身上的應用研究 [J]. 熱加工工藝, 2016,45(10):30-32.