梁紹臻，陽林，陳德升，利仁濱，駱文星

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基于ANSYS的FSEC賽車后輪轂優(yōu)化設(shè)計(jì)*

梁紹臻，陽林，陳德升，利仁濱，駱文星

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

FSEC賽車后輪轂承受復(fù)雜的交變載荷，結(jié)構(gòu)的合理關(guān)系到賽車和車手的安全。文章通過ANSYS軟件對后輪轂在幾個(gè)不同的賽道工況進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)存在應(yīng)力集中等問題?；诜治龅贸龅妮嗇灥牡刃?yīng)力云圖、等效應(yīng)變圖及總變形云圖，對原設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了更合理的應(yīng)力分布，輪轂質(zhì)量降低了超過15%，并且滿足賽車輕量化要求。

FSEC賽車；輪轂；優(yōu)化設(shè)計(jì)

前言

旨在推動(dòng)中國大學(xué)生賽車文化發(fā)展，中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則委員會參考了國際相關(guān)賽事的規(guī)則，發(fā)布了2019年的比賽規(guī)則[1]。盡管動(dòng)態(tài)測試項(xiàng)目規(guī)則基本沒變，但組委會對于通用部分與電車部分的規(guī)則作出了不小的改動(dòng)。方程式賽車需要在動(dòng)態(tài)測試項(xiàng)目中頻繁切換加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等工況，車輪承受著復(fù)雜的交變載荷，為此車輪系統(tǒng)需要有足夠的強(qiáng)度應(yīng)對各類惡劣的工況。賽車后輪轂承擔(dān)賽車的重量，與半軸配合，連接懸架與輪胎，是車輪總成中不可或缺的部分。分析各種在動(dòng)態(tài)項(xiàng)目中可能遇到的工況，為提升賽車性能提供依據(jù)。為了在動(dòng)態(tài)測試項(xiàng)目獲得更好的成績，本文基于ANSYS的有限元分析，分析賽車后輪轂在動(dòng)態(tài)項(xiàng)目中可能遇到的各種工況，驗(yàn)證輪轂的強(qiáng)度、變形量，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行后輪轂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 FSEC賽車輪轂設(shè)計(jì)思路

FSEC大賽是大學(xué)生組建車隊(duì)制造純電動(dòng)方程式賽車，并完成相應(yīng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測試。FSEC賽車動(dòng)態(tài)項(xiàng)目包括直線加速、8字繞環(huán)、高速避障、耐久及效率測試，賽車在動(dòng)態(tài)項(xiàng)目中遇到工況可分為以下5種：轉(zhuǎn)向工況、加速工況、制動(dòng)工況、轉(zhuǎn)向制動(dòng)工況和轉(zhuǎn)向加速工況。其中，轉(zhuǎn)向工況產(chǎn)生側(cè)向力及因載荷轉(zhuǎn)移引起載荷變化，制動(dòng)、加速工況是加速度和慣性引起載荷變化，轉(zhuǎn)向制動(dòng)工況和轉(zhuǎn)向加速工況是以上三者的復(fù)合工況。為提高動(dòng)態(tài)項(xiàng)目的成績，所制造的FSEC賽車需具備克服各種頻繁切換高速工況的能力。賽車在轉(zhuǎn)向工況中由于荷載的轉(zhuǎn)移而更容易產(chǎn)生的疲勞破壞，本文將重點(diǎn)分析轉(zhuǎn)向制動(dòng)、轉(zhuǎn)向加速等工況。輪轂與輪輞、制動(dòng)盤、軸承等多個(gè)零部件相配合，并承受復(fù)雜的交變載荷[2]。相對于前輪轂，賽車后輪轂受力情況更為復(fù)雜，起著傳遞賽車動(dòng)力的作用，設(shè)計(jì)出滿足強(qiáng)度要求的輪轂才能保證賽車、車手的安全，因此本文選定賽車后輪轂作為研究對象。為方便賽車快速安裝與拆卸，本后輪轂設(shè)計(jì)將會使用集成化輪轂結(jié)構(gòu)[3]。

2 FSEC賽車后輪轂靜力分析

2.1 建立有限元模型

根據(jù)選用的輪轂軸承的尺寸，以及與制動(dòng)盤的配合關(guān)系等，設(shè)計(jì)出后輪轂的基本造型，并在CATIA軟件完成三維建模。進(jìn)行有限元分析之前，對原三維模型進(jìn)行簡化處理，去除螺紋、倒角等特征，以提高軟件運(yùn)算的效率。模型以stp的格式導(dǎo)入ANSYS，在Designed Modeler模塊中對模型進(jìn)行圓面合并、切割的預(yù)處理，以便于載荷施加和網(wǎng)格劃分，同時(shí)分割出軸承安裝面，如圖1所示。

材料選用7075-T6鋁合金，楊氏模量E=72GPa，泊松比=0.33，抗拉強(qiáng)度=540MPa，屈服強(qiáng)度=455MPa。

圖1 后輪轂初步模型

2.2 劃分網(wǎng)格

由于后輪轂結(jié)構(gòu)形狀相對規(guī)則，通過Design Modeler中Slice操作切分規(guī)則圓柱體等，采用Workbench的multizone多區(qū)域掃掠型劃分網(wǎng)格，生成規(guī)則的六面體網(wǎng)格[4]。分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，針對銷軸孔、制動(dòng)盤安裝位置不斷細(xì)化網(wǎng)格，最終確定網(wǎng)格設(shè)置。整體網(wǎng)格尺寸1.0mm，關(guān)閉高級尺寸功能，Relevance等級為50，Relevance Cente等級為Fine，Smoothing等級為High，Transition等級為Fast，Span Angle center等級為Coarse。在應(yīng)力集中的銷孔等關(guān)鍵部位，采用Sizing中的Face sizing 細(xì)化網(wǎng)格，Elememt sizing為0.5mm，其余設(shè)置默認(rèn)不變。生成網(wǎng)格質(zhì)量比較均勻，網(wǎng)格平均畸變度為0.18，在細(xì)化網(wǎng)格的過程中不存在應(yīng)力不收斂的情況，可認(rèn)為該網(wǎng)格設(shè)置較為合理，整體網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 后輪轂網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 設(shè)置邊界條件

如圖3所示，在行駛中，后輪轂會在球籠孔與球籠接觸面受到扭矩，安裝軸承面受到兩個(gè)載荷，四個(gè)銷軸孔受到一個(gè)向上的力；轉(zhuǎn)彎時(shí)，輪轂與輪輞貼合面還會受到軸向力；制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)盤安裝圓弧面受制動(dòng)力矩。

圖3 后輪邊三維裝配示意圖

根據(jù)整車參數(shù)及加速度分析結(jié)果，可計(jì)算出上面上述幾種賽車工況后輪轂所受的支持力、側(cè)向力、摩擦力，利用理論力學(xué)的知識可以求出力矩，進(jìn)而算的輪轂軸肩所受徑向力，由此確定最終的邊界條件。此處省略相應(yīng)邊界條件的計(jì)算過程，并僅以轉(zhuǎn)向加速過程為例作簡要介紹，其他工況的計(jì)算類似。算得轉(zhuǎn)向加速過程需要施加的載荷Bearing load：

Force：

Moment：

G處：M=650

約束條件如表1所示

表1 轉(zhuǎn)向加速過程載荷約束條件

最終設(shè)置完邊界條件的情況如圖4所示。

2.4 輪轂有限元仿真及分析

通過對輪轂的有限元模型進(jìn)行仿真，可得到五種不同工況下的輪轂的等效應(yīng)變云圖、等效應(yīng)力云圖和安全系數(shù)云圖[4]。如圖5、6、7所示，后輪轂初始設(shè)計(jì)最大變形量為0.05mm，發(fā)生在加速時(shí)的軸承安裝面；最大應(yīng)力126MPa，且應(yīng)力較為集中，發(fā)生在加速時(shí)的球籠孔處；最小安全系數(shù)3.99，發(fā)生在加速時(shí)的球籠孔。其次，后輪轂最大應(yīng)力較小，最大變形量較小，安全系數(shù)較大，銷軸安裝處，制動(dòng)盤安裝處以及軸承安裝位置都比較安全。可見原設(shè)計(jì)比較保守，為了實(shí)現(xiàn)賽車輕量化，后輪轂可作進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化。轉(zhuǎn)彎制動(dòng)、制動(dòng)工況的安全系數(shù)達(dá)到8.6，變形量低至0.013mm，故后面的迭代分析將忽略這兩種工況。

圖5 加速工況下輪轂應(yīng)變云圖

圖6 加速工況下輪轂應(yīng)力云圖

圖7 加速工況下輪轂安全系數(shù)云圖

3 后輪轂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于上述的有限元分析，對原有后輪轂的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，將輪輞安裝法蘭處結(jié)構(gòu)改為四段圓弧形，厚度從14mm減為12mm，軸承安裝處厚度從4.5mm改為4mm。對改進(jìn)后的后輪轂進(jìn)行有限元分析，僅考慮轉(zhuǎn)向加速、轉(zhuǎn)向及加速工況下后輪轂的受力情況，進(jìn)而得到優(yōu)化后的后輪轂等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變云圖和安全系數(shù)云圖，如圖8、9、10所示。

優(yōu)化后的賽車后輪轂最大變形量為0.09mm，發(fā)生在加速工況軸承安裝面。同樣在加速工況，輪轂所受最大等效應(yīng)力148MPa，出現(xiàn)在球籠安裝孔處。改進(jìn)后的輪轂最小安全系數(shù)為3.39，相對于原先設(shè)計(jì)，輪轂結(jié)構(gòu)更為合理，應(yīng)力分布也更適宜，符合設(shè)計(jì)要求，滿足強(qiáng)度要求，具體可參考表2。后輪轂初始設(shè)計(jì)質(zhì)量為925g，經(jīng)過改進(jìn)后，質(zhì)量減為762g，共減重163g，減重超過15%，達(dá)到了輕量化的目的。

表2 后輪轂結(jié)構(gòu)分析對比

圖9 優(yōu)化后轉(zhuǎn)彎制動(dòng)下輪轂應(yīng)力云圖

圖10 優(yōu)化后轉(zhuǎn)彎制動(dòng)下輪轂安全系數(shù)云圖

4 結(jié)論

以FSEC賽車后輪轂為研究對象，通過ANSYS軟件，設(shè)置網(wǎng)格和相應(yīng)的邊界條件，模擬各種賽車工況，建立輪轂有限元模型，對生成的等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變云圖和總變形云圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)存在應(yīng)力集中等問題。針對分析結(jié)果，對原輪轂設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并重驗(yàn)證，改進(jìn)后的輪轂疲勞強(qiáng)度滿足賽車工況要求，同時(shí)質(zhì)量降低了15%。

[1] 中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則委員會.2019中國大學(xué)生方程式大賽規(guī)則第一版[R].北京:中國汽車工程學(xué)會.

[2] 王慧芳,龍思遠(yuǎn),朱姝晴.鋁合金輪轂的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].特種鑄造及有色合金,2015,35(01):30-32.

[3] 陳楠楠,陽林,鐘云耀,葉磊.FSAE賽車集成化輪轂的設(shè)計(jì)與校核[J].機(jī)械與電子,2015(11):38-42.

[4] 焦洪宇,夏葉,趙榮,范麗穎.基于ANSYS Workbench的汽車鋁合金輪轂彎曲疲勞強(qiáng)度有限元分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2018(22):40-42.

Optimization Design of Rear Wheel Hub of FSEC Racing Based on ANSYS*

Liang Shaozhen, Yang Lin, ChenDeshen, Li Renbin, Luo Wenxing

( GuangDongUniversity Of Technology, Guangdong Guangzhou 510006 )

The rear wheel hub of the FSEC racing car is subjected to complex alternating loads, and the structure is reasonably related to the safety of the car and the driver. This paper uses ANSYS software to carry out finite element analysis on the rear wheel hub in several different track conditions, and found that the original design has problems such as stress concentration. Based on the analysis of the equivalent stress cloud map, equivalent strain map and total deformation cloud map of the hub, the original design is optimized. The optimized design achieves a more reasonable stress distribution, reduced hub quality by more than 15%, and meets the lightweight requirements of racing cars.

FSEC racing; wheel hub; optimized design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.026

U462

A

1671-7988(2019)10-73-03

U462

A

1671-7988(2019)10-73-03

梁紹臻，碩士研究生，廣東工業(yè)大學(xué)，研究方向：方程式賽車關(guān)鍵技術(shù)，無人駕駛汽車關(guān)鍵技術(shù)。陽林，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，廣東工業(yè)大學(xué)，研究方向：方程式賽車關(guān)鍵技術(shù)，電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)。

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。項(xiàng)目編號：201811845004。