基于PERA SIM的铝合金轮毂有限元分析

安世亚太结构工程师

安小龙

摘要： 轮毂的力学性能是汽车安全性及可靠性的重要影响因素，作为汽车的重要承载部件，需要严格保证轮毂的性能满足国家标准的要求。本文以某乘用车轮毂为研究对象，应用自主有限元软件PERA SIM建立轮毂有限元模型，并依据国家标准 GB/T5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》建立仿真工况，完成轮毂的刚度、强度分析，为轮毂的进一步结构优化设计提供了依据。并将计算结果与目前主流的商业软件ANSYS、ABAQUS比对，验证了国产自主软件PERA SIM的高精度计算。

关键词： 轮毂；刚度；强度；PERA SIM；高精度

随着能源问题以及环境保护问题在全世界范围内的备受关注，汽车行业的轻量化成为汽车发展的重要方向。而对于新材料的使用是主要的解决方案之一，其中铝及铝合金因其密度低，刚度、强度高，并且具有良好的耐腐蚀性、冲击性以及散热导热等性能，能够有效降低汽车重量，从而降低油耗，缓解能源问题及环境保护问题。因此，铝合金材料已经成为汽车轻量化不可或缺的重要材料^[1-4]。

轮毂是汽车承载的重要部件，处于轮胎与车桥之间，传递着汽车与地面之间的相互作用力，起着承载、转向、制动、驱动等重要作用，因此轮毂对汽车的安全性及可靠性有着重要的影响。而轮毂主要分为三种材质：钢制、铝合金及镁合金。其中钢制轮毂主要用于重载车辆；镁合金轮毂因其价格昂贵，主要用于赛车等高级车；而铝合金轮毂因其良好的导热性、减震性能、质量轻、成形性好等优点备受市场的青睐。（铝合金轮毂的基本结构示意图如下图1所示。）

因此，也吸引了更多学者进行铝合金轮毂性能的研究^[5-8]。其中潘玉田等人^[9]以履带式自行火炮轮毂为研究对象，分别比较了钢质及铝合金轮毂的性能；边雷雷^[10]以重载车用铝合金轮毂为研究对象，结合有限元法对轮毂进行了疲劳分析。本文将基于GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和实验方法》的要求，建立弯曲疲劳试验的仿真工况，并基于国产自主软件PERA SIM进行轮毂的静力学仿真分析，为轮毂的进一步优化设计提供指导。

图1  轮毂结构图

轮毂的几何结构十分复杂，轮毂上分布着包括气门孔、修饰凹槽、装饰圆角等结构[11]。过小装饰结构特征对轮毂的强度分析几乎没有影响，并且由于结构尺寸的影响，会导致不必要的计算成本增加。因此，在有限元分析之前，需要对轮毂的几何结构作适当的简化：去除气门孔以及各种修饰特征。

简化后的轮毂几何模型如下图所示:

图 2 轮毂几何模型

基于PERA SIM对乘用车轮毂进行有限元分析，进行网格无关性验证，并将计算结果与成熟商业软件比对。根据表1可以发现，当网格达到33万左右时，继续加密网格，变形量与等效应力基本不再变化（浮动在1%以内），因此，为平衡计算成本与计算精度，本文采用329459单元数，515620节点的网格规模。

表 1网格无关性验证数据

 PERA SIM计算结果：

b) 等效应力

图 8  PERA SIM计算结果云图

如上图所示，在外载荷的作用下，轮辐受到的影响最大，螺栓孔的边缘处承受较大的应力，与实际情况相符，最大应力为109.1 MPa，远小于铝合金的屈服强度240 MPa，因此本文中乘用车的轮毂仍有较大的强度裕度，轮毂整体的最大变形量为0.1495 mm，满足要求。因此，可以对轮毂做进一步的优化设计，减轻轮毂自重。

通过目前主流的成熟商业软件ANSYS、ABAQUS，基于相同的几何模型、边界条件及外载荷、求解设置等参数进行计算，并分别进行网格无关性验证后的计算结果如下图所示，与自主软件PERA SIM的计算结果比较如表2所示。

ANSYS计算结果：

a) 变形

b) 等效应力

图 9 ANSYS计算结果云图

ABAQUS计算结果：

a) 变形 

b) 等效应力

图 10 ABAQUS计算结果云图

表 2 计算结果比对

对比不同软件的计算结果，可以看到自主软件PERA SIM的计算结果（变形与等效应力）与目前主流的成熟商业软件ANSYS、ABAQUS之间的偏差极小，其相对误差均在3%以内，验证了国产自主软件PERA SIM的高精度计算。