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為了節(jié)省能源，汽車車輪向輕量化發(fā)展，鋁材以其優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用，因此，車輪材料選用 鋁合金。為了減輕車輪重量，本研究應(yīng)用有限元分析軟件NASTRAN對(duì)汽車車輪進(jìn)行強(qiáng)度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了減輕車輪的目的。
NASTRAN是美國(guó)MSC公司的重要產(chǎn)品，其分析功能覆蓋了絕大多數(shù)工程領(lǐng)域，并為用戶提供了方便的分析模塊化功能選項(xiàng)。同時(shí)，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能較為強(qiáng)大，包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)一化等等。本研究中使用的方法為尺寸優(yōu)化，尺寸優(yōu)化的相關(guān)變量處理起來(lái)較為方便，此外，NASTRAN提供了Design Study基本工具，用于結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化。
對(duì)車輪施加邊界條件時(shí)，將車輪的4個(gè)螺栓孔進(jìn)行固定，對(duì)其6個(gè)自由度都加以約束，這樣的約束是滿足實(shí)際情況的。
加載荷時(shí)，以動(dòng)態(tài)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)值為基礎(chǔ)，試驗(yàn)臺(tái)安裝有旋轉(zhuǎn)裝置，車輪可在一個(gè)固足小動(dòng)的彎矩作用下旋轉(zhuǎn)，或是靜止不動(dòng)，而承受彎曲力矩的作用。為了能在PATRAN軟件中施加這一載荷，將偏心距向車輪中心移置，其等效為一個(gè)作用于輪轂的彎矩和一個(gè)作用于輪輛半周的分布力。此外，輪轂還要受到輪胎的氣壓作用和汽車自重的壓力，根據(jù)實(shí)際情況并結(jié)合車輪參數(shù)得到綜合的力學(xué)模型，由分析后的應(yīng)力云圖可以看出，由于受分布力加載方式的影響而在其作用處的輪輛部位產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，在輪轂邊緣處引起較大的應(yīng)力集中，而且應(yīng)力是從邊緣到內(nèi)部逐漸減小，最大應(yīng)力處的應(yīng)力值為84.7 MPa，小于鋁合金的強(qiáng)度極限240 MPa，其強(qiáng)度儲(chǔ)備很大，因此還可以做進(jìn)一步的優(yōu)化。
一般說(shuō)，設(shè)計(jì)變量越減少，優(yōu)化就越簡(jiǎn)單，所以優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量必須選擇考究，汽車車輪是由輪轂和輪輻組成的，它們是承載件，受力復(fù)雜，組件采用板殼單元進(jìn)行建模，故設(shè)計(jì)變量分別取它們的板厚。
1)性能約束，性能約束也稱為功能約束，是根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象應(yīng)滿足的功能要求而建立的約束條件。對(duì)于汽車車輪，設(shè)計(jì)應(yīng)力須小于所有材料的許用應(yīng)力，而且應(yīng)盡可能的降低設(shè)計(jì)應(yīng)力。
汽車車輪材料采用鋁合金，其許用應(yīng)力為240 MPa，因此應(yīng)力約束<240 MPa。
2)邊界約束，邊界約束規(guī)定了設(shè)計(jì)變量的取值范圍，對(duì)于汽車車輪的輪轂和輪輻，其板厚可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定其變化的上下限，輪轂的上限值為30 mm，下限值為5 mm，輪輻的上限值為20 mm，下限值為3 mm。
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