鋁合金車(chē)輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 譯文

1、2010信息工程國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議鋁合金車(chē)輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究Zhihua Zhu, Jinhua Hu, 孫紅梅Xiaoming Yuan, Huixue Sun 錢(qián)江學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 杭州師范大學(xué)燕山大學(xué) 中國(guó) 杭州中國(guó) 秦皇島 Email: Email: 文摘-車(chē)輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施摘要.環(huán)剛度有限元模型，首先建立車(chē)輪13-度沖擊強(qiáng)度有限元模型和彎曲有限元分析模型。綜合考慮車(chē)輪沖擊強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度對(duì)環(huán)剛度的影響。將約束變量法優(yōu)化程序OPTIII基于檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于優(yōu)化計(jì)算。結(jié)果表明，OPTIII有高的收斂速率及輕量化設(shè)計(jì)車(chē)輪可以實(shí)現(xiàn)基于優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞-最優(yōu)化；車(chē)輪；有限元 I 概述優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種設(shè)

2、計(jì)方法，即：在給定載荷的影響或環(huán)境條件，選擇設(shè)計(jì)變量。建立目標(biāo)函數(shù)，得到在約束范圍內(nèi)性質(zhì)最優(yōu)的產(chǎn)品狀態(tài)，幾何尺寸之間的關(guān)系或其它狀態(tài)。設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)構(gòu)成了優(yōu)化設(shè)計(jì)的三個(gè)基本要素。數(shù)學(xué)模型編程的方法成功用于優(yōu)化設(shè)計(jì)始于1960年。一些基本的程序已被用于優(yōu)化鋁合金車(chē)輪。2003年HAkbulut 在土耳其研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化的車(chē)輪沖擊試驗(yàn)條件，他選擇關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移作為設(shè)計(jì)變量，觀察設(shè)計(jì)變量如何隨著結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化而變化，應(yīng)用分析結(jié)果來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全的車(chē)輪。在2007年，孫紅梅建立了汽車(chē)輪基于約束變量指標(biāo)優(yōu)化算法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，綜合考慮了邊緣環(huán)剛度、彎曲應(yīng)力和車(chē)輪振動(dòng)模式。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋁合

3、金車(chē)輪研究將輪轂厚度作為設(shè)計(jì)變量，車(chē)輪輕量化作為目標(biāo)函數(shù)。2009年，周家福在ANSYS中利用零級(jí)優(yōu)化方法，在彎曲飾演的條件下以車(chē)輪為對(duì)象，采用復(fù)合材料優(yōu)化輕質(zhì)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)車(chē)輪輪緣厚度，安裝法蘭厚度和輪廓的車(chē)輪，已達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)合材料的車(chē)輪彎曲疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力、應(yīng)變和位移變化不大但重量減少了10.436%。綜上所述、由于復(fù)雜的鋁合金車(chē)輪結(jié)構(gòu)，車(chē)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)研究在海內(nèi)外都比較少，近年來(lái)，車(chē)輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究顯著增加。車(chē)輪輕量化設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。本文綜合考慮了車(chē)輪的剛度，沖擊強(qiáng)度，和車(chē)輪的彎曲應(yīng)力，建立了車(chē)輪邊緣剛度的有限元模型，13度沖擊強(qiáng)度有限元模型和單獨(dú)的有限

4、元分析模型。選擇輪輞和輪輻的厚度作為設(shè)計(jì)變量，上述輪輞剛度,最大主應(yīng)力和輪輻的最大應(yīng)力計(jì)算模型作為約束變量，車(chē)輪體積作為目標(biāo)函數(shù)。在約束變尺度法優(yōu)化程序OPTIII的基礎(chǔ)上對(duì)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了論述。II 基于OPTIII的優(yōu)化設(shè)計(jì)A. 模型 (1) 環(huán)剛度有限元模型計(jì)算環(huán)剛度有限元模型計(jì)算如圖1所示；該模型共有68765個(gè)單元和115931個(gè)節(jié)點(diǎn)圖1. 車(chē)輪的剛度分析有限元模型 (2) 13度沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的有限元模型圖2 車(chē)輪沖擊力分析的有限元模型圖3 車(chē)輪彎曲疲勞分析的有限元模型 13度沖擊強(qiáng)實(shí)驗(yàn)有限元模型如圖2所示。該模型是對(duì)真實(shí)模型的簡(jiǎn)化。 （3）彎曲疲勞強(qiáng)度分析的有限元模型 彎曲疲勞

5、強(qiáng)度分析的有限元模型如圖3所示；該模型有41017個(gè)單元，69641個(gè)節(jié)點(diǎn)。 B. 邊界條件和載荷 優(yōu)化計(jì)算這部分綜合介紹了三種分析模型，即：剛度計(jì)算模型，13°沖擊強(qiáng)度計(jì)算模型和彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算模型，這三種分析模型有不同的邊界條件和加載方式，分別描述如下： （1）剛度計(jì)算模型的邊界條件和載荷 在法蘭聯(lián)軸節(jié)內(nèi)圓加載固定約束、向車(chē)輪外輪緣加載1000N的載荷 （2）13°沖擊強(qiáng)度計(jì)算模型的邊界條件內(nèi)法蘭表面固定約束，和沖擊力影響區(qū)域。 （3）彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算模型的邊界條件和載荷利用車(chē)輪的對(duì)稱(chēng)性，對(duì)稱(chēng)面加對(duì)稱(chēng)的約束，車(chē)輪外輪緣加固定約束，在軸上加1565N的徑向載荷。C. 優(yōu)化

6、過(guò)程首先分析環(huán)剛度，建立模型如圖1所示：考慮彈性變形的情況，使用1000N的力，得到外緣受力方向的最大位移，然后乘以5可得到最大位移方向邊緣載荷5000N，代入（1）式可以得到邊緣剛度，使它成為第一約束變量的優(yōu)化計(jì)算。剛度計(jì)算公式如下： (1)其中，輪輞剛度L輪輞寬度F負(fù)載變化從1000N到5000N 邊緣載荷1000N時(shí)最大變形位移 邊緣載荷5000N時(shí)最大變形位移第二步是分析13°沖擊強(qiáng)度測(cè)試，刪除約束和載荷的剛度計(jì)算步驟。然后在輪輻和沖擊影響區(qū)加固定約束，分析沖擊強(qiáng)度下得到車(chē)輪最大主應(yīng)力，設(shè)置該值為第二個(gè)約束變量的優(yōu)化。第三步是彎曲分析，首先將兩個(gè)以前的模型參數(shù)保存，然后刪除兩

7、個(gè)計(jì)算模型，之后調(diào)用保存的參數(shù)建立彎曲模型，如圖3所示；通過(guò)計(jì)算，對(duì)輪輻的等效應(yīng)力在給定的最大彎曲應(yīng)力范圍內(nèi)，使用這個(gè)值為第三約束變量的優(yōu)化最后進(jìn)入優(yōu)化分析模塊，指定設(shè)計(jì)變量和約束變量，設(shè)計(jì)變量包括輪輞厚度和輪輻厚度，從上述模型中計(jì)算出輪輞剛度，最大主應(yīng)力和輪輻的最大應(yīng)力計(jì)算模型作為約束變量，車(chē)輪體積作為目標(biāo)函數(shù)，選擇二次編程方法子問(wèn)題運(yùn)算法則進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，其它優(yōu)化計(jì)算的實(shí)例可以參考文獻(xiàn)【6】約束變量設(shè)置如下，大于或等于100KNm,小于或等于230，彎曲應(yīng)力小于或等于80.D. 分析結(jié)果 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型 (2)優(yōu)化結(jié)果顯示在表1，其中單位是KNm,和的單位是，和輪輻的單位是，單位是，SV表示設(shè)

8、計(jì)變量，OBJ表示目標(biāo)函數(shù)。TABLE I 基于OPTIII的優(yōu)化過(guò)程SET1114.4186.960.75.0025.003.75e6298.525675.34.8722.613.52e6399.9226.674.74.7323.563.58e64100.1230.276.54.7623.413.58e6595.95231.978.54.7623.423.57e6*6*100229.576.54.7523.433.57e6 在表I中，第2組，3組、4組和5組是不可行的解決方案，拿第2組來(lái)說(shuō)，是256并不滿足條件小于等于230，同樣如此，98.5不滿足要求的大于等于100，其余解決方案是可行的

9、，其中第6組是最優(yōu)方案。 表1表明約束變量?jī)?yōu)化程序OPTIII需要6個(gè)迭代收斂域，ANSYS子問(wèn)題最優(yōu)算法也一樣，需要8個(gè)迭代結(jié)果都是一樣。由于文章篇幅的限制，ANSYS所得結(jié)果的詳細(xì)信息被省略。因此高度收斂。第6組最優(yōu)解收益率是：因此基于優(yōu)化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)車(chē)輪，III.結(jié)論 本文中環(huán)剛度有限元模型，首先建立了車(chē)輪13-degree沖擊強(qiáng)度有限元模型和彎曲分析的有限元模型。對(duì)環(huán)剛度的影響，綜合考慮沖擊強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度對(duì)車(chē)輪的影響，然后進(jìn)入優(yōu)化分析模塊，建立優(yōu)化分析模型?；跈z測(cè)技術(shù)的約束變量法程序在優(yōu)化設(shè)計(jì)中有做介紹。結(jié)果表明，有很高的收斂速度和基于優(yōu)化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)車(chē)輪。參考

10、文獻(xiàn)【1】工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 程耿東 北京 水利水電出版社 1984,1123.【2】基于有限元分析的汽車(chē)輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 崔勝民 楊占春 機(jī)械工業(yè)出版 2001 (9): 4143【3】鋁合金車(chē)輪輕度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì) Tieli Qi, Lihui Chun, Haipeng Li, Zhige Zhou. 河北科技大學(xué) 2002,31(5):9598【4】鋁合金汽車(chē)車(chē)輪的優(yōu)化設(shè)計(jì) cad/cam Haipeng Li, Lihui Wang.2003(8):3735【5】基于FEA的車(chē)輪結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì) 閻勝昝 童水光 鐘翠霞 朱訓(xùn)明 王樹(shù)山 期刊：機(jī)械設(shè)計(jì) 2009, 26 (1): 5355【6】基于ANSYS的低壓鑄造鋁合金輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì) 曲文君 期刊：制造業(yè)自動(dòng)化 2009,31 (9): 199200【7】輪緣優(yōu)化的有限元法 Akbulu