摘 要：在全球積極推進環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展的大背景下，新能源汽車產業(yè)迅猛發(fā)展。然而，續(xù)航里程焦慮嚴重阻礙了新能源汽車的廣泛普及。汽車輕量化設計成為提升續(xù)航的有效策略，輪轂作為汽車關鍵部件，其輕量化意義重大。傳統(tǒng)輪轂設計方法難以在保障強度、剛度等性能要求的同時，實現(xiàn)高效輕量化。研究旨在深入探究有限元分析在新能源汽車輪轂輕量化設計中的應用，有限元分析技術通過離散輪轂復雜結構，構建精確數(shù)學模型，可精準模擬輪轂在各類工況下的力學行為，利用這一技術，設計人員能在虛擬環(huán)境中對輪轂結構與材料進行優(yōu)化，提前預估設計方案性能，大幅減少實物試驗，有效縮短設計周期并降低研發(fā)成本。研究期望推動新能源汽車技術創(chuàng)新，為解決續(xù)航難題提供新的思路與方法，對新能源汽車產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論與實踐指導價值。

關鍵詞：有限元分析 新能源汽車 輪轂輕量化

隨著全球對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的重視程度不斷提升，新能源汽車產業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展的黃金時期。近年來，新能源汽車的市場份額持續(xù)擴大，其技術創(chuàng)新也在不斷加速。然而，新能源汽車的續(xù)航里程焦慮仍是制約其進一步普及的關鍵因素之一。在眾多提升續(xù)航的策略中，汽車輕量化設計被公認為是極為有效的途徑，而輪轂作為汽車的關鍵部件，其輕量化設計意義重大。?

輪轂的輕量化不僅能夠降低整車質量，從而減少行駛過程中的能量消耗，直接提升新能源汽車的續(xù)航里程，還能改善車輛的操控性能，提升駕駛安全性。在傳統(tǒng)的輪轂設計方法中，往往難以在保證輪轂強度和剛度等性能要求的同時，實現(xiàn)高效的輕量化目標。?

有限元分析技術的興起，為新能源汽車輪轂的輕量化設計帶來了新的契機。它通過將復雜的輪轂結構離散為有限個單元，構建精確的數(shù)學模型，能夠精準模擬輪轂在各種工況下的力學行為。借助有限元分析，設計人員可以在虛擬環(huán)境中對輪轂的結構和材料進行優(yōu)化，提前預測設計方案的性能表現(xiàn)，避免大量的實物試驗，顯著縮短設計周期、降低研發(fā)成本。因此，深入研究有限元分析在新能源汽車輪轂輕量化設計中的應用，具有重要的理論意義與實際應用價值。

1 有限元分析技術基礎

1.1 基本原理

有限元分析基于變分原理和離散化思想，將復雜連續(xù)的輪轂結構分割成有限個簡單的單元，這些單元在節(jié)點處相互連接。針對每個單元，依據(jù)力學和數(shù)學理論建立相應的方程描述其力學行為[1]。隨后，把所有單元的方程整合為一個大型方程組，通過求解該方程組，獲得整個輪轂結構在特定載荷與邊界條件下的近似解。其核心在于用離散模型逼近連續(xù)體真實狀態(tài)，把復雜的求解問題轉化為相對簡單的單元問題，從而實現(xiàn)對復雜結構力學性能的有效分析。

1.2 分析步驟

在建模環(huán)節(jié)，運用專業(yè)CAD軟件精確構建輪轂三維幾何模型，依據(jù)輪轂的實際設計尺寸和結構特點，精確創(chuàng)建其三維幾何模型。在建模過程中，需充分考慮輪轂的各個組成部分，包括輪輻的形狀、輪輞的輪廓以及它們之間的連接方式等。在網格劃分環(huán)節(jié)，依據(jù)輪轂形狀、尺寸及分析精度需求，選擇適宜的網格類型和劃分方式，將模型離散為眾多單元，單元質量直接影響分析結果準確性，隨后精準定義輪轂材料屬性，包括彈性模量、泊松比等，同時明確模型邊界條件與所受載荷，如車輛行駛時輪轂承受的重力、驅動力、制動力等。完成上述設置后，利用有限元分析軟件求解方程組，對計算結果展開深入分析，查看輪轂應力、應變、位移等分布情況，評估性能是否達標。

1.3 常用軟件介紹

在有限元分析領域，ANSYS功能全面，涵蓋結構、流體、熱等多物理場分析，在輪轂分析中，其強大的后處理功能便于直觀呈現(xiàn)分析結果；Abaqus擅長處理復雜非線性問題，對于涉及材料非線性、接觸非線性的輪轂研究具有顯著優(yōu)勢；Nastran則在航空航天等對結構強度和動力學分析要求極高的領域廣泛應用，在輪轂輕量化設計中，能精準進行動力學和優(yōu)化分析。設計人員可以根據(jù)輪轂分析的具體需求，合理選用軟件，充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

2 新能源汽車輪轂設計現(xiàn)狀與輕量化需求

2.1 設計現(xiàn)狀

在結構方面，新能源汽車輪轂多沿用傳統(tǒng)汽車輪轂的基本架構，以輪輻連接輪輞和輪轂中心。但由于新能源汽車動力系統(tǒng)特性，輪轂受力情況有別于傳統(tǒng)燃油車，部分車型在設計時對輪輻形狀和數(shù)量進行了優(yōu)化，如采用更具流線型的輪輻，減少空氣阻力來提升車輛行駛效率。在材料選擇方面，鋁合金質量輕、強度較高、耐腐蝕性好，所以是新能源汽車輪轂的主流材料。部分高端車型開始嘗試使用鎂合金，其密度更低，可進一步實現(xiàn)輕量化，但鎂合金加工難度大且成本高，限制了其大規(guī)模應用。碳纖維復合材料等新型材料也逐漸進入輪轂設計視野，但目前因高昂成本和復雜制造工藝，僅在少量概念車或高性能車型上有所應用[2]。從造型設計方面，為彰顯新能源汽車的科技感與獨特性，輪轂造型愈發(fā)多樣，有簡潔流暢的封閉式造型，以降低風阻；也有復雜多變的鏤空造型，兼顧美觀與散熱。

2.2 面臨問題

盡管新能源汽車輪轂設計取得一定進展，仍存在諸多問題。傳統(tǒng)設計方法依賴經驗和反復試驗，難以精準把握輪轂在復雜工況下的力學性能，導致設計周期長、成本高?，F(xiàn)有輪轂在輕量化與性能平衡上不夠理想，過度追求輕量化可能犧牲強度和剛度，影響行車安全；過于注重性能則無法有效減輕重量，不利于提升續(xù)航。同時，新型材料應用面臨技術瓶頸，如復合材料的成型工藝復雜，質量控制難度大。

2.3 輕量化需求

新能源汽車續(xù)航里程受電池能量密度和整車質量制約，輕量化是提升續(xù)航的關鍵。輪轂作為簧下質量的重要組成部分，其輕量化效果對車輛操控性和續(xù)航里程影響顯著。減輕輪轂重量，可降低車輛行駛時的滾動阻力，減少能量消耗，增加續(xù)航里程。同時，輕量化輪轂能提升車輛加速性能和制動響應速度，改善操控穩(wěn)定性，增強駕駛安全性[3]。此外，隨著新能源汽車市場競爭加劇，實現(xiàn)輪轂輕量化有助于降低整車成本，提高產品競爭力，滿足消費者對高性能、低能耗汽車的需求，推動新能源汽車產業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

3 有限元分析在新能源汽車輪轂輕量化設計中的應用流程

3.1 構建精準輪轂模型

運用專業(yè)三維建模軟件，如CATIA、SolidWorks等，嚴格依照新能源汽車輪轂的實際尺寸、形狀及結構特點，構建精確的三維幾何模型。模型需完整呈現(xiàn)輪轂的輪輞、輪輻、中心安裝孔等各個部位，確保幾何信息準確無誤。確定輪轂所用材料的關鍵特性參數(shù)，像鋁合金材料的彈性模量、泊松比，以及材料的密度等，這些參數(shù)直接影響后續(xù)分析結果的準確性[4]。根據(jù)輪轂在汽車行駛過程中的實際工況，明確邊界條件與所承受的載荷。例如，輪轂與車軸裝配處的約束條件，以及車輛行駛時，輪轂所承受的來自路面的垂直力、車輛加速或制動時產生的驅動力與制動力、轉彎時的側向力等。

3.2 合理進行網格劃分與參數(shù)設定

完成輪轂幾何模型搭建后，需依據(jù)輪轂結構的復雜程度以及預期的分析精度，合理選擇網格劃分方法。對于形狀較為規(guī)則的輪轂部分，可采用六面體網格劃分，因其計算精度較高；而對于形狀復雜區(qū)域，四面體網格則更為適用。在應力集中區(qū)域，如輪輻與輪輞的過渡部位，要適當加密網格，以更精準地捕捉應力變化；在受力相對均勻的區(qū)域，可適當增大網格尺寸，以控制單元數(shù)量，提高計算效率。選擇合適的求解器類型，常見的有直接求解器和迭代求解器，不同求解器在處理不同規(guī)模和類型的矩陣方程時各有優(yōu)勢。根據(jù)分析需求，確定分析類型，如靜力學分析、動力學分析或疲勞分析等，并設定相應的求解參數(shù)，包括收斂準則、迭代次數(shù)等，為后續(xù)仿真計算做好充分準備。

3.3 全面開展仿真分析與結果評估

利用成熟的有限元分析軟件，如ANSYS、Abaqus等，對已劃分好網格并完成參數(shù)設定的輪轂模型進行求解運算。靜力學分析用于獲取輪轂在靜態(tài)載荷作用下的應力、應變及位移分布情況，以此判斷輪轂的強度和剛度是否滿足設計要求，查看是否存在應力集中區(qū)域，若最大應力超過材料的許用應力，則需對設計進行優(yōu)化。動力學分析可模擬輪轂在動態(tài)工況下的振動特性，分析是否存在共振現(xiàn)象，因為共振可能導致輪轂過早損壞，影響車輛行駛安全。疲勞分析則通過對輪轂在循環(huán)載荷下的壽命預測，檢驗其耐久性，評估輪轂在長期使用過程中的可靠性。分析完成后，對計算結果進行全面、細致評估，對比各項性能指標與設計目標，判斷輪轂設計是否達標。

3.4 基于結果優(yōu)化輕量化設計

依據(jù)仿真分析結果，若輪轂的性能未能達到設計要求，或存在進一步優(yōu)化的空間，可運用拓撲優(yōu)化技術。該技術能根據(jù)輪轂所受載荷情況，去除受力較小區(qū)域的材料，優(yōu)化結構布局，從而在不影響關鍵性能的前提下減輕重量。也可采用尺寸優(yōu)化方法，對輪輻的厚度、寬度，輪輞的直徑、壁厚等尺寸參數(shù)進行調整，通過多次迭代計算，尋找最優(yōu)的尺寸組合，實現(xiàn)輕量化與性能之間的良好平衡。完成優(yōu)化后，需再次進行有限元分析，對比優(yōu)化前后輪轂的性能指標和重量，驗證輕量化設計的實際效果，直至滿足設計要求。通過這樣循環(huán)迭代的設計優(yōu)化過程，最終實現(xiàn)新能源汽車輪轂的輕量化設計目標，提升輪轂性能與新能源汽車的整體性能。

4 應用有限元分析面臨的挑戰(zhàn)與解決方案

4.1 模型精度與計算效率的平衡難題

構建高精度的輪轂有限元模型，往往需要精細的網格劃分與復雜的模型設置。在輪轂的應力集中區(qū)域，如輪輻與輪輞的連接處，為準確捕捉應力變化，需采用極小尺寸的單元進行網格加密。然而，過多的單元數(shù)量會使計算量呈指數(shù)級增長，大幅延長計算時間，降低計算效率。例如，在對某復雜造型輪轂進行分析時，若采用精細網格，單元數(shù)量可能達到數(shù)百萬甚至更多，普通計算機可能需要數(shù)天時間才能完成一次求解。

為解決這一問題，可采用自適應網格劃分技術。該技術能根據(jù)分析過程中模型各區(qū)域的誤差分布，自動調整網格疏密程度。在初始分析時，先采用較粗網格快速計算，確定應力變化較大區(qū)域后，再對這些區(qū)域進行局部網格加密，重新計算，如此既能保證關鍵部位的計算精度，又可有效控制整體計算量。此外，選用高效求解器也是提升計算效率的重要手段。不同求解器在處理大規(guī)模矩陣方程時性能各異，像迭代求解器在處理大型稀疏矩陣問題時，相較于直接求解器，能顯著減少計算時間與內存消耗，適用于復雜輪轂模型的分析。

4.2 材料特性與本構關系的準確描述困境

新能源汽車輪轂為實現(xiàn)輕量化，常采用鋁合金、鎂合金及碳纖維復合材料等新型材料。這些材料的特性復雜，其本構關系難以準確確定。例如，碳纖維復合材料是各向異性材料，其力學性能在不同方向差異顯著，且材料內部還存在纖維與基體間的相互作用，使得準確描述其在復雜載荷下的力學行為頗具難度。同時，材料特性參數(shù)受加工工藝、環(huán)境溫度濕度等因素影響，實際應用中獲取精確材料參數(shù)的過程繁瑣且成本高昂。

對此，可通過大量材料試驗獲取基礎數(shù)據(jù)。針對不同類型材料，設計系統(tǒng)的力學性能測試，如拉伸、壓縮、彎曲試驗等，建立材料性能數(shù)據(jù)庫[5]。結合微觀力學分析方法，從材料微觀結構出發(fā)，深入研究材料內部的力學行為，進而建立更準確的本構模型。此外，參考國內外權威研究機構發(fā)布的材料數(shù)據(jù)與本構模型，根據(jù)實際情況進行適當修正，也能提高材料特性描述的準確性。

4.3 多物理場耦合問題的處理挑戰(zhàn)

輪轂在實際工作中，涉及多種物理場的相互作用。車輛高速行駛時，輪轂與空氣摩擦會產生熱量，引發(fā)熱－結構耦合問題，溫度變化會影響輪轂材料的力學性能，進而改變其應力應變分布。同時，車輪滾動過程中，輪胎與路面接觸產生的動態(tài)載荷，又涉及流－固耦合問題。這些多物理場耦合現(xiàn)象增加了有限元分析的復雜性。

為應對這一挑戰(zhàn)，可采用多物理場分析軟件，如COMSOL Multiphysics，其具備強大的多物理場耦合分析功能，能方便地建立耦合模型，考慮不同物理場間的相互影響。在數(shù)值算法方面，采用順序耦合算法或直接耦合算法。順序耦合算法先獨立求解各物理場，再將一個物理場的結果作為另一個物理場的輸入，逐步迭代計算；直接耦合算法則將所有物理場的控制方程聯(lián)立求解，能更準確反映多物理場耦合效應，但計算難度較大。根據(jù)輪轂實際工作情況與分析精度要求，合理選擇算法，可有效處理多物理場耦合問題。

5 結論

研究通過深入探討新能源汽車輪轂設計現(xiàn)狀與輕量化需求，詳細剖析了有限元分析技術在輪轂輕量化設計中的應用流程。從構建精準的輪轂模型、合理進行網格劃分與參數(shù)設定，到全面開展仿真分析并基于結果優(yōu)化設計，每個環(huán)節(jié)都充分發(fā)揮了有限元分析的優(yōu)勢。通過分析有限元分析應用面臨的挑戰(zhàn)，包括模型精度與計算效率的平衡、材料特性與本構關系的準確描述、多物理場耦合問題的處理等問題，提出了諸如采用自適應網格劃分技術與高效求解器、通過材料試驗結合微觀力學分析建立本構模型、運用多物理場分析軟件及合適算法等策略，有助于推動新能源汽車輪轂輕量化設計的發(fā)展，為新能源汽車產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了理論支撐，具有重要的理論意義與實際應用價值。

參考文獻：

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