摘 要: 輪轂是汽車重要的安全部件，隨著鎂合金輪轂的研究，鎂合金輪轂得到了廣泛應 用。為了實現(xiàn)汽車鎂合金輪轂的結(jié)構輕量化設計，本文使用 SimLab sT 多物體場仿真軟件， 對鎂合金輪轂結(jié)構進行了輕量化設計。建立輪輻區(qū)域為設計變量的有限元分析模型并對輪輻 部位進行拓撲優(yōu)化，并依據(jù)優(yōu)化結(jié)果對模型進行重新設計,并利用無網(wǎng)格軟件 SimSolid 進行 了性能驗證，縮短了驗證時間。過程表明 SimLab sT 及 SimSolid 可以快速推動產(chǎn)品創(chuàng)新并 加速產(chǎn)品開發(fā)的流程。 

    關鍵詞: SimLab sT，SimSolid，輪轂，拓撲優(yōu)化

    1 概述 

    隨著汽車發(fā)展節(jié)能環(huán)保及新能源的號召下，為了減少排放和增加電動車電池續(xù)航能力， 汽車輕量化成為了目前火熱的發(fā)展趨勢。輪轂是支撐汽車的重要部件，其結(jié)構的輕量化直接 影響汽車的安全及舒適性。鎂合金輪轂具有重量輕、性能好等優(yōu)點，再加上合理的結(jié)構設計 布局就變得格外重要。因此優(yōu)化設計成為了創(chuàng)新驅(qū)動設計的發(fā)展方向。本文結(jié)合 SimLab sT多物體場仿真軟件，對鎂合金輪轂結(jié)構進行了輕量化設計。并根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果建立了輪轂 3D 幾何，對此模型利用 Altair 的無網(wǎng)格軟件 SimSolid 進行了靜態(tài)力學分析性能驗證，相比 傳統(tǒng)流程大大縮短了驗證時間。

    2 SimLab sT 及 SimSolid 介紹 

    SimLab sT 是一款多物理場仿真軟件，其以 SimLab 技術為基礎，憑借其在自動化實 體建模方面的領先地位，打造了全新的用戶體驗。該解決方案新增了深度嵌入式物理求解器、 革新性商業(yè)模型等功能：

    (一) 與主流 CAD 系統(tǒng)進行實時雙向同步：通過與參數(shù)化 CAD 系統(tǒng)（包括 CATIA、 Pro/E、Siemens NX 和 SolidWorks）進行實時連接，始終保持與最新設計水平 同步，以評估性能并探索方案。

     (二) 嵌入式物理求解器能夠在幾分鐘內(nèi)實現(xiàn)從 CAD 到仿真，適用于靜力學、動力學、 熱傳遞、流體流動和電磁學的嵌入式物理求解器的推出，提供了一種能夠?qū)⒍辔锢?場分析、耦合仿真和 DOE 研究時間從數(shù)周或數(shù)天縮短到數(shù)小時甚至數(shù)分鐘的一 站式解決方案。

    SimSolid 是一款專為設計工程師開發(fā)的結(jié)構分析軟件。它消除了傳統(tǒng)仿真流程中的幾 何簡化和網(wǎng)格劃分，能夠在幾分鐘內(nèi)分析 CAD 裝配體而無需進行網(wǎng)格劃分，是一場仿真變革。具有以下優(yōu)勢：

     (一) 消除幾何結(jié)構簡化和網(wǎng)格化劃分

     (二) 分析復雜零件和大型程序集 

    (三) 在幾秒到幾分鐘內(nèi)獲得結(jié)果

    3 輪轂有限元模型的建立 

    3.1 拓撲空間及網(wǎng)格劃分 

    本文以輪輞和輻板之間的輪輻區(qū)域進行實體填充作為設計空間區(qū)域，如下圖 3-1 所示。 對輪轂三維模型用 SimLab sT 進行高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格劃分，共 91601 個網(wǎng)格節(jié)點和 78677 個單元，按照輪轂的實際工況建立有限元模型，如圖 3-2 所示，主要設置如下參數(shù)：

    材料：AM60B 

    約束：在輪轂的 4 個螺栓裝配處，約束其全部平動和轉(zhuǎn)動自由度。 

    載荷：在輪胎的接地處進行 RBE3 約束，面積 120*150mm2并在其中心點重力方向施 加 1000N 的集中載荷

    3.2 拓撲優(yōu)化仿真 

    3.2.1 拓撲優(yōu)化仿真參數(shù)設置 

    進入 Optimization 菜單選擇 Topology Method 后，進行以下參數(shù)設置： 

    Design Space：輪輻區(qū)域的實體網(wǎng)格 

    Objective： Minimize Comp，即最小應變能 

    Response：體積分數(shù)≤0.1 

    Constraint：Cyclic 循環(huán)對稱約束，設置為 5 以及 Extrusion 拔模約束 

    設置完成后，選擇 Optimize，直接調(diào)用 Optistruct 進行求解。

    3.2.2 拓撲優(yōu)化結(jié)果解讀及重構 

    如圖 3-3 所示，密度值 0.1 時的一個優(yōu)化結(jié)果，從拓撲優(yōu)化結(jié)果可以看出，輪轂可以 設計成 10 輻條的輪轂，下面將根據(jù)輪轂的拓撲優(yōu)化結(jié)果進行幾何的模型重構，最終幾何 模型如圖 3-4 所示。

    4 輪轂沖擊強度靜態(tài)驗證 

    輪轂的沖擊試驗是將輪轂安裝在與水平地面成角度 13°±1°的臺架上，然后沿垂直向下施加沖擊力，模擬車輪在實際行駛受到來自軸向的沖擊力或者石塊等物的沖擊。根據(jù)國家標準[5]判斷其實驗結(jié)果，當出現(xiàn)有以下某一種情形則判斷輪轂破壞：

    （1）輪輻的任一斷面處有目測可見的穿透裂紋； 

    （2）輪輻從輪輞上分離或者出現(xiàn)明顯的裂紋； 

    （3）輪胎氣壓在1.0min內(nèi)漏盡。

    若試驗后輪轂未出現(xiàn)以上幾種情形，就判斷輪轂合格。本文建立輪轂沖擊仿真模型， 對其進行模態(tài)分析以及沖擊試驗靜力學分析。

    4.1 模態(tài)分析 

    本文利用 SimSolid 軟件建立輪轂模態(tài)分析的過程為：導入輪轂幾何，定義材料屬性， 建立模態(tài)分析類型，建立約束，求解。整個過程不到一分鐘即可完成。得到的前 6 階振型 結(jié)果如下：

    從輪轂的模態(tài)變形圖可知：安裝凸臺與輪輻的變形很小，輪輞的變形則很大，主要是 因為在安裝凸臺處施加了約束，同時輪輻和凸臺的厚度較大，能夠承受較大的強度，輪輞 的剛度較差，主要是沒有輻板的支撐造成的。同時是符合設計要求的，因此輪轂結(jié)構設計 較為合理。

    4.2 沖擊試驗靜力學分析 

    輪轂沖擊試驗實際上是瞬態(tài)動力學問題，為了方便設計模型快速性能校核，本文建立簡化模型，利用 SimSolid 軟件進行靜態(tài)分析。 

    本文假設質(zhì)量為 M 的沖擊塊沖擊輪轂，根據(jù)參考資料進行動量守恒進行等效作用力計算：   

根據(jù)車輪的最大靜載求出 為 20000N。

    通過觀察應力變形圖：最大應力和變形位于加載區(qū)域附近，其他位置的輻板和輪緣的變 形量很小甚至為零。對準通風孔加載時的應力為 245.6Mpa，變形量為 1.88mm；對準輻板 加載時應力值為 236.8Mpa，變形量為 1.96mm。分析其原因可知：對準通風孔加載時，由 于輻板的支撐數(shù)比對準輻板加載時支撐多，所以輪緣的變形量小于對輻板加載，但是應力增 大。

    工程經(jīng)驗證明：為了減小沖擊試驗中的應力集中，通常輻板均勻?qū)ΨQ的分布，輪緣厚度 減小，這樣就增大了沖擊過程中的變形量，沖擊過程的路徑延長了，吸收了能量，對輪轂的 破壞力就減小了，通過以往試驗證明，本文設計的輪輞在沖擊過程中應力值超過了材料的屈 服強度，但未超出材料的塑性變形階段，設計是合理的。

    5 總結(jié) 

    從輪轂優(yōu)化設計過程可以看出： 

    SimLab sT 集網(wǎng)格劃分，模型建立，嵌入求解，后處理為一體，減少了各個軟件的切換 操作，打造了全新的用戶體驗。其提供了一種能夠?qū)⒍辔锢韴龇治觥Ⅰ詈戏抡婧?DOE 研 究時間從數(shù)周或數(shù)天縮短到數(shù)小時甚至數(shù)分鐘的一站式解決方案。而 SimSolid 消除了傳統(tǒng) 仿真流程中的幾何簡化和網(wǎng)格劃分，能夠在幾分鐘內(nèi)分析 CAD 裝配體而無需進行網(wǎng)格劃分。 可見 SimLab sT 及 SimSolid 可以快速推動產(chǎn)品創(chuàng)新并加速產(chǎn)品開發(fā)的流程。 

    6 參考文獻 

[1] GB/T15704- 1995. 轎車車輪沖擊試驗方法[S]. 1995.

 

 

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