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摘要：轮毂是汽车系统重要的运动和支撑部件，从轮毂实际结构出发，建构SoliwdWorks实体模型，并将模型导入ANSYSWorkbench有限元分析软件作为分析工具，通过模拟轮毂实际载荷，对轮毂的各项力学性能有限元分析，可以优化轮毂设计、提高强度。
关键词：轮毂;有限元;弯矩载荷
一、轮毂的几何结构、载荷分析
1.1轮毂的形状结构
本文轮毂为整体铸造辐条式铝合金轮毂，轮毂材料为ZL101A。通过三维软件SolidWorks建立轮毂模型，轮毂上有5个直径为Φ22mm的PCD孔，均匀分布在直径为Φ108mm的圆周上。结合实际，将辐条表面形状设计为多曲面结合，较平面设计可提高结构的抗冲击性能。轮毂为五辐条式，且大部分汽车轮毂均为5幅设计。据统计，轿车轮毂PCD数值5孔占70%以上。下面通过五幅轮毂展开分析。
1.2汽车轮毂的轻量化发展趋势及材料选用
中国汽车行业的飞速发展带来了一系列安全、能源等方面的问题，为了获得更多经济效益和动力性能，汽车工业发展要有新的技术工艺。汽车轮毂轻量化在节能减排、降低油耗等方面起着至关重要的作用，考虑汽车平稳、舒适、无噪音等整体运行情况，对汽车的结构和形状进行优化。根据RAYS的测算，减轻lkg非簧载质量（例如，轮毂重量轻lkg，相当于整车质量轻15kg）铝合金以其轻量、散热性好、减震性好等诸多优点大量应用于汽车轻量化，推动了汽车轻量化的发展。
二、建立有限元模型
2.1轮毂模型的导入、建立及简化
将在SolidWorks软件中完成的零部件3D造型按照Parasolid标准输出“.x_t”文件，导入ANSYS环境。因轮辐表面由多曲而构成，结构相对复杂，以采用自由网格划分方式“AutomaticMethod”生成网格，而轮缘及胎圈座部分结构较为规则，采用六面体法“Hex Donimant Method”生成網格。共生成12174个节点，4725个基本单元。为了节约仿真计算时间及相关计算难度，仅保持轮毂的基本尺寸，而其余如圆角、装饰槽对应力分析影响不大的结构则进行简化处理。
为了节约仿真计算时间及相关计算难度，仅保持轮毂的基本尺寸，而其余如圆角、装饰槽对应力分析影响不大的结构则进行简化处理。
2.2定义材料
本文研究的轮毅材料为ZL101A的铸造铝合金，该类型铝合金不仅具有很好的铸造性能，且通过热处理可以达到较高强度、良好塑性、高冲击韧性的理想综合，成为汽车铸造铝轮毂的首选材质，选用该类型铸造铝合金较为有代表性。
通过查阅相关资料，理想状态下，该材料的轮毂材料特征参数如下：
密度：2.7g/cm3屈服强度（Yield Stress）：0.24Gpa泊松比（NUXY）：0.3杨氏模量（EX）：72.4Gpa
2.3施加约束条件
在对轮毂进行静力分析时，固定轮毂的五个螺栓孔，对轮毂三个平移自由度UX、UY、UZ以及三个旋转自由度RX、RY、RZ都加以约束。
施加载荷
为了确保轮毂能正常使用，需要对轮毂施加的载荷进行定量的计算，而轮毂受力大小将受不同工况作用的影响，对模型进行分析时，需要模拟轮毂实际受力情况，疲劳工况下，主要受弯矩载荷。
轮毂的所承受最大载荷可表示为：
Fmax=w·ni/3+G/6
W-汽车自身的重量 ni-载荷影响系数 G-汽车满载负荷 G取汽车满载人数5人加上负载货物之和，即G=（5*75+125）*9.8=4900N
参考各部分的系数选择其载荷影响系数：
ni=nl·n2·n3·n4
（2-2）
nl-考虑轮毂制造质量系数，yi 般取值：1-1.1 n2-考虑路面工况影响系数，一般取值：1.1-1.2 n3考虑汽车装载系数，一般取值：1-1.1 n4-其他影响系数，一般取值：1-1.1
结合实际情况，各系数分别取值为1.05、1.15、1.05、1.05，由式（2-2）可得，载荷影响系数为ni=1.05*1.15*l.05*1.05=1.33
本文以09款科鲁兹1.6L SL MT为例，根据车型参数配置，整车整备质量1360kg，则该车的重量为W=1360*9.8=13328N，所以轮毂所承受的最大载荷为：Fmax=13328*1.33/3+4900/6=6725.4N
用夹具将轮毂固定不动，在轴上施加一个力，使轮毂承受一个旋转弯曲的力矩作用。试验弯矩公式如下：
M=（R·μ+d）·F·S
（2-3）
式中：M-力矩 R-静载荷半径，取值为0.35 μ-汽车运动时，地面与车轮产生的摩擦系数，取值为0.7 d-轮毂的偏径，取值为0.35 F-轮毂最大额定载荷，由轮毂厂制造规定，取值为8521N S-安全系数，取值为1.61
根据所提供参数，结合式（2-3）求得M=3817N.从而求得偏心力f=M/L=6361.7N.
L-加载力臂的长度，取值为0.6m
2.4结果分析
根据所得云图显示应力结果上看，最大应力值出现在轮辐根部与轮圈接触的部位，最大应力值为84.87Mpa，远小于屈服强度0.24Gpa。
三、小结
通过ANSYS Workbench中的静力分析模块，以09款科鲁兹1.6LSL MT为例，对汽车轮毂进行应力分析，将模型进行简化，提高计算速度。从分析结果可知，安全系数足够。但由于汽车是运动的，静力学分析并未考虑轮毂在旋转时惯性力的影响，且该影响较大。故未来需综合动力学的分析，才能使分析结果更加符合实际情况。
参考文献
[1]宋裕民.基于ANSYS的汽车轮毂单元净应力计算优化设计[J].计算机应用技术，2009，36（5）：54-56.
[2]曲文君.基于Pro/E的低压铸造铝合金轮毂的设计与静力学分析[J].制造业自动化，2009，31（7）：161-163.
[3]王明明.铝合金汽车轮毂结构设计及优化[D].硕士学位论文，吉林大学，2011.
[4]陆洋.汽车轮毂有限元分析及优化[D].硕士学位论文，广西科技大学，2015.
[5]周喆.铝合金轮毂的力学性能及有限元分析[D].硕士学位论文，燕山大学，2015.
[6]徐浩.基于Ansys Workbench的铝合金轮毂结构的疲劳分析[J].技术与应用，2017.17（1）：142-144.
[7]赵亮.基于ANSYS镁合金轮毂的结构优化设计[D].硕士学位论文，燕山大学，2013.
关键词：轮毂;有限元;弯矩载荷
一、轮毂的几何结构、载荷分析
1.1轮毂的形状结构
本文轮毂为整体铸造辐条式铝合金轮毂，轮毂材料为ZL101A。通过三维软件SolidWorks建立轮毂模型，轮毂上有5个直径为Φ22mm的PCD孔，均匀分布在直径为Φ108mm的圆周上。结合实际，将辐条表面形状设计为多曲面结合，较平面设计可提高结构的抗冲击性能。轮毂为五辐条式，且大部分汽车轮毂均为5幅设计。据统计，轿车轮毂PCD数值5孔占70%以上。下面通过五幅轮毂展开分析。
1.2汽车轮毂的轻量化发展趋势及材料选用
中国汽车行业的飞速发展带来了一系列安全、能源等方面的问题，为了获得更多经济效益和动力性能，汽车工业发展要有新的技术工艺。汽车轮毂轻量化在节能减排、降低油耗等方面起着至关重要的作用，考虑汽车平稳、舒适、无噪音等整体运行情况，对汽车的结构和形状进行优化。根据RAYS的测算，减轻lkg非簧载质量（例如，轮毂重量轻lkg，相当于整车质量轻15kg）铝合金以其轻量、散热性好、减震性好等诸多优点大量应用于汽车轻量化，推动了汽车轻量化的发展。
二、建立有限元模型
2.1轮毂模型的导入、建立及简化
将在SolidWorks软件中完成的零部件3D造型按照Parasolid标准输出“.x_t”文件，导入ANSYS环境。因轮辐表面由多曲而构成，结构相对复杂，以采用自由网格划分方式“AutomaticMethod”生成网格，而轮缘及胎圈座部分结构较为规则，采用六面体法“Hex Donimant Method”生成網格。共生成12174个节点，4725个基本单元。为了节约仿真计算时间及相关计算难度，仅保持轮毂的基本尺寸，而其余如圆角、装饰槽对应力分析影响不大的结构则进行简化处理。
为了节约仿真计算时间及相关计算难度，仅保持轮毂的基本尺寸，而其余如圆角、装饰槽对应力分析影响不大的结构则进行简化处理。
2.2定义材料
本文研究的轮毅材料为ZL101A的铸造铝合金，该类型铝合金不仅具有很好的铸造性能，且通过热处理可以达到较高强度、良好塑性、高冲击韧性的理想综合，成为汽车铸造铝轮毂的首选材质，选用该类型铸造铝合金较为有代表性。
通过查阅相关资料，理想状态下，该材料的轮毂材料特征参数如下：
密度：2.7g/cm3屈服强度（Yield Stress）：0.24Gpa泊松比（NUXY）：0.3杨氏模量（EX）：72.4Gpa
2.3施加约束条件
在对轮毂进行静力分析时，固定轮毂的五个螺栓孔，对轮毂三个平移自由度UX、UY、UZ以及三个旋转自由度RX、RY、RZ都加以约束。
施加载荷
为了确保轮毂能正常使用，需要对轮毂施加的载荷进行定量的计算，而轮毂受力大小将受不同工况作用的影响，对模型进行分析时，需要模拟轮毂实际受力情况，疲劳工况下，主要受弯矩载荷。
轮毂的所承受最大载荷可表示为：
Fmax=w·ni/3+G/6
W-汽车自身的重量 ni-载荷影响系数 G-汽车满载负荷 G取汽车满载人数5人加上负载货物之和，即G=（5*75+125）*9.8=4900N
参考各部分的系数选择其载荷影响系数：
ni=nl·n2·n3·n4
（2-2）
nl-考虑轮毂制造质量系数，yi 般取值：1-1.1 n2-考虑路面工况影响系数，一般取值：1.1-1.2 n3考虑汽车装载系数，一般取值：1-1.1 n4-其他影响系数，一般取值：1-1.1
结合实际情况，各系数分别取值为1.05、1.15、1.05、1.05，由式（2-2）可得，载荷影响系数为ni=1.05*1.15*l.05*1.05=1.33
本文以09款科鲁兹1.6L SL MT为例，根据车型参数配置，整车整备质量1360kg，则该车的重量为W=1360*9.8=13328N，所以轮毂所承受的最大载荷为：Fmax=13328*1.33/3+4900/6=6725.4N
用夹具将轮毂固定不动，在轴上施加一个力，使轮毂承受一个旋转弯曲的力矩作用。试验弯矩公式如下：
M=（R·μ+d）·F·S
（2-3）
式中：M-力矩 R-静载荷半径，取值为0.35 μ-汽车运动时，地面与车轮产生的摩擦系数，取值为0.7 d-轮毂的偏径，取值为0.35 F-轮毂最大额定载荷，由轮毂厂制造规定，取值为8521N S-安全系数，取值为1.61
根据所提供参数，结合式（2-3）求得M=3817N.从而求得偏心力f=M/L=6361.7N.
L-加载力臂的长度，取值为0.6m
2.4结果分析
根据所得云图显示应力结果上看，最大应力值出现在轮辐根部与轮圈接触的部位，最大应力值为84.87Mpa，远小于屈服强度0.24Gpa。
三、小结
通过ANSYS Workbench中的静力分析模块，以09款科鲁兹1.6LSL MT为例，对汽车轮毂进行应力分析，将模型进行简化，提高计算速度。从分析结果可知，安全系数足够。但由于汽车是运动的，静力学分析并未考虑轮毂在旋转时惯性力的影响，且该影响较大。故未来需综合动力学的分析，才能使分析结果更加符合实际情况。
参考文献
[1]宋裕民.基于ANSYS的汽车轮毂单元净应力计算优化设计[J].计算机应用技术，2009，36（5）：54-56.
[2]曲文君.基于Pro/E的低压铸造铝合金轮毂的设计与静力学分析[J].制造业自动化，2009，31（7）：161-163.
[3]王明明.铝合金汽车轮毂结构设计及优化[D].硕士学位论文，吉林大学，2011.
[4]陆洋.汽车轮毂有限元分析及优化[D].硕士学位论文，广西科技大学，2015.
[5]周喆.铝合金轮毂的力学性能及有限元分析[D].硕士学位论文，燕山大学，2015.
[6]徐浩.基于Ansys Workbench的铝合金轮毂结构的疲劳分析[J].技术与应用，2017.17（1）：142-144.
[7]赵亮.基于ANSYS镁合金轮毂的结构优化设计[D].硕士学位论文，燕山大学，2013.