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车轮结构—材料一体化轻量化多目标优化研究

王一浏  
【摘要】:车轮在汽车行驶过程中起着非常重要的作用,它不仅能够传递向前的动力,也能为汽车的行驶安全提供可靠的保证,所以车轮结构性能的好坏将直接影响到整车的行驶安全。随着近年来环境和资源问题的日益恶化,汽车轻量化设计得到了人们的重视,车轮作为汽车的旋转和移动综合部件,对其结构进行轻量化设计不仅能够提高汽车的燃油经济性、降低排放,也能提高其市场竞争力。本文结合国家自然基金项目《铝镁合金组装式车轮结构-材料-性能一体化轻量化多目标优化设计方法研究》(项目编号:51475201)进行研究。首先建立16英寸全封闭轮辐车轮结构的几何模型,然后对该几何模型进行拓扑优化设计。结合拓扑优化设计结果建立16英寸五辐传统式车轮的几何模型,并在此基础上将传统式车轮结构设计修改为组装式车轮结构,进而确定初始组装式车轮结构并建立其几何模型,其中组装式车轮结构连接位置选择在轮辐与轮辋连接处,连接方式选择螺栓连接。依据国家标准GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》对组装式车轮结构进行了性能分析,其主要包括弯曲工况与径向工况下的强度、刚度和疲劳寿命,冲击试验有限元分析以及自由模态分析。分析结果表明基于拓扑优化设计得到的初始组装式车轮结构在弯曲工况与径向工况下的疲劳强度、刚度和寿命以及冲击试验下的最大应力均有较大盈余。因此有必要对该组装式车轮结构做进一步轻量化优化设计。对初始组装式车轮结构进行多目标优化设计,以初始组装式车轮的结构参数为基础进行参数化建模,在Hyperstudy软件环境中基于全局响应面算法对组装式车轮结构参数进行更加细致的尺寸优化,最终确定组装式车轮结构的轻量化设计方案。对轻量化设计方案进行工程化处理后,建立组装式车轮几何模型,并对优化后组装式车轮结构进行性能分析,其主要包括弯曲工况与径向工况下的强度、刚度和疲劳寿命,冲击试验有限元分析以及自由模态分析,将分析结果与优化前组装式车轮结构的相关性能进行对比。结果表明,优化后的车轮结构在满足车轮性能要求的情况下,实现减重14.4%,取得了明显的减重效果。


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