FSAE赛车车轮设计及静强度仿真分析

修浩然　马天放　周朋飞　田杰　夏衍　陈书郅

摘 要：文章以Wonder7号铝合金车轮为研究对象，在CATIA软件中建立赛车车轮的三维模型，并导入到ANSYS Workbench软件中生成轮辋和轮辐的几何模型。根据计算极限工况下，对Wonder7号车轮进行受力分析，并对车轮的受力载荷进行确定。建立车轮的有限元模型并进行有限元分析。通过仿真得出车轮的受力分布云图，寻找出产品的结构缺陷及失效位置，得到车轮的等效应力云图和等效应变图。根据所得赛车车轮相应的应力分布情况，对其静强度进行了分析，为车轮设计提供了依据。关键词：静强度;Ansys有限元分析;车轮设计中图分类号：U463.34  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）01-102-03

Abstract： This paper takes Wonder7 aluminum alloy wheel as the research object， establishes the 3d model of racing wheel in CATIA software， and imports it into ANSYS Workbench software to generate the geometric model of rim and spoke. According to the calculation of the limit condition， the stress analysis of wonder7 wheel was carried out， and the stress load of the wheel was determined. The finite element model of wheel is established and analyzed. The stress distribution nebugram of the wheel was obtained through simulation， and the structural defects and failure positions of the product were found out. The equivalent stress nebugram and equivalent strain diagram of the wheel were obtained.According to the stress distribution of race car wheels， the static strength of race car wheels is analyzed.Keywords： Static strength; Ansys finite element analysis; The wheel designCLC NO.： U463.34  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）01-102-03

引言

赛车车轮是车辆承载的重要安全部件，行驶过程中，赛车车轮承受来自路面不同幅值、不同频率的激励除受垂直力外，还受因车辆起动、制动时扭矩的作用，转弯、冲击等来自多方向的不规则受力。高速旋转的车轮直接影响车辆的平稳性和操纵性。FSAE比赛对赛车的安全性和美观度需求也是不断的提高，对车轮要求尺寸精度高、不平衡度小、质量轻、高耐疲劳性、足够的刚度和弹性并且大方美观。如何实现车轮的高要求是一个设计者长期研究的过程，利用ANSYS软件对车轮运动过程进行静力学分析，对防止轮毂由于振动造成变形或损坏等现象和优化轮教参数具有重要的工程应用价值。

1 铝合金车轮建立三维立体化模型

赛车车轮由轮辋及轮辐构成。轮辋与轮胎结合部分尺寸由国标（GB3487-1996）规定。本次设计属于深槽宽轮辋，结构简单、刚度大、质量小;同时又可提高轮胎使用寿命，并可通过其来改善汽车的通过性和行驶稳定性。轮辋的结构、轮辋的设计应严格遵照标准的规定选用适合整车要求的轮辋规格。赛车轮辐设计属辐板式车轮。轮辐的形状是多种多样的，辐板式车轮的安装尺寸在标准中有明确的规定。其中轮辐螺栓孔分布圆直径、螺栓孔直径、球面半径（或锥面角度）、球面深度（或外直径）和辐板安装面平面直径是保证车轮能够同各类赛车的车轮正确配合的重要尺寸。车轮安装面，包括支撑面、螺栓孔，是车轮与车轴的连接部分。最合理的设计是能将螺栓拧紧力矩均匀地传递到安装面处，最高夹紧力负荷发生在安装面最大直径处。轮毂螺栓安装孔做成锥形以便于车轮对中。轮辐边缘是与轮辋相连的部分，设计要求是要减小边缘部分的刚度，这样在受到较大的冲击负荷时，边缘部分可产生一定的弯曲变形，起到缓冲作用。

2 铝合金车轮的力学性能分析

2.1 赛车车轮的受力分析

对任何一个零件进行有限元分析时，如何添加合理的边界条件和载荷是重中之重，是需要解决的的基本问题。车轮在道路上行驶时，行驶状况复杂，为了准确模拟车轮正常工作情况，要求对车轮进行详细的受力分析，确定对车轮有重要影响的力和力矩，再对边界条件进行合理地简化，这样才能得到与实际较贴近的仿真结果。

在workbench中對装配体进行分析，首先对轮辋与轮胎接触面进行绑定约束;对轮毂安装轴承面施加切向力（force3）和径向力（force）;对轮毂端面施加压力（force2）;对轮毂螺栓施加螺栓预紧力（bolt pretension）;对轮辐与轮毂螺栓接触面施加制动力矩（moment）。具体如图1所示。

2.4 仿真分析

将CATIA软件绘制的轮辋三维模型导入ANSYS Workbench软件中生成轮毂、轮辐和轮辋的几何模型。根据模型的简化原则，对轮辋作出了如下简化处理：对焊接和螺栓连接部分采用了绑定连接方式，轮辋与轮辋连接的方式选择Workbench连接关系中的摩擦副（friction）。由于本次分析主要关心轮辋关键零件的强度问题。

2.5 网格划分步骤

进行网格的整体设置，模型整体选择四面体法中的Patch Conforming 法进行网格的整体划分，有轮辋的体积远超轮辐与轮毂，因此控制轮辋的网格单元尺寸 element size为4mm，控制轮辐与轮毂的网格单元尺寸 element size为2mm。为了提高网格的质量，对网格参数进行设置，将Relevance 提升到100，Transition改为slow，Span Angle Center改为fine， Smoothing改为high。网格划分完毕，如图所示，模型总共包括491070个节点，293897个单元。

2.6 分析结果

车轮轮辋在极限载荷的作用在轮辐位置时的应力分布情况，从应力分布的结果上得到，在极限工况下最大应力值出现的地方是轮毂螺栓与轮辐和轮辋连接部分的中间位置，最大应力值为187.6Mpa，小于铝合金7075的屈服强度，如图2所示。最大应变值为0.0026055mm，如图3所示。

3 优化设计与分析

Wonder6号车使用keizer轮辋，在一年的驾驶过程中，没有出现任何的损坏，但是keizer轮辋自身重2.305kg，为了优化设计keizer车轮，实现车轮轻量化设计，增加赛车的操纵稳定性。首先，针对keizer车轮仿真分析，把分析结果作为优化设计的车轮重要参考依据。因为wonder 6号车与wonder 7号车的整车布置形式基本相同，keizer车轮的结构形式对优化的车轮具有参考价值。将keizer车轮的模型导入Ansys仿真软件中，施加极限工况下的载荷。

与分析结果比较可知，在相同工况下，keizer车轮的应力最大的位置出现在轮辐上。从keizer车轮应力云图上得到，在极限工况下最大应力值出现的地方是轮毂螺栓与轮辐和车轮连接部分的中间位置，最大应力值为202.07Mpa，如图4所示。最大应变值为0.0031617mm/pa，如图5所示。

本次实验用自制设计的车轮优化分析结果与keizer车轮分析比较，发现应力最大的位置都是位于轮毂螺栓与轮辐和轮辋连接部分的中间位置上，其中最大应力值和最大应变值相似。可以判断自制车轮在实际的工况下，满足设计要求，达到与keizer车轮相同的实用价值，并且自制车轮比keizer车轮轻0.5kg，达到预期轻量化的设计目标。

分析结果表明：极限载荷工况下，静力学分析的应力分布情况位于轮毂螺栓与轮辐和轮辋连接部分的中间位置处。

在车轮的轮辐位置引起应力集中现象。这与车轮在高速跑动，长时间运动下的车轮强度试验的结果所物合。这说明ANSYS Workbench是非常有效的有限元分析软件。同时根据应力云图发现其最大应力小于铝合金材料的许用应力，车轮还存在进一步优化的潜力，以减轻质量，节省材料。有限元分析软件ANSYS对铝合金车轮进行强度计算，可使设计者在车轮开发出来之前就对车轮的应力分布和应变状态有比较准确的了解，这将大大缩短车轮产品的开发周期，提高设计效率。

参考文献

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