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原文传递电动汽车铝合金轮毂结构优化及疲劳寿命分析

论文题名：	电动汽车铝合金轮毂结构优化及疲劳寿命分析
关键词：	电动汽车;铝合金轮毂;疲劳寿命;响应面优化;神经网络
摘要：	随着我国新能源汽车的发展，电动汽车续航里程的问题日益突出，同时为了响应全球范围内的节能减排，在保证安全的前提下对铝合金轮毂进行结构优化已经成为节能减排的重要途径。轮毂作为汽车主要的承载机构和车辆的旋转类机构，轮毂减重效果是其他非旋转机构的1.3倍左右。本文依托有限元仿真的方法模拟轮毂疲劳试验，仿真计算轮毂在规定载荷下的最大等效应力以及疲劳寿命最低循环次数。以仿真结果为基础对轮毂进行优化，主要内容包括: 　　(1)根据产品参数以及实际测量建立轮毂三维模型，并对轮毂进行自由模态以及约束模态的仿真计算，利用DH5922D动态信号测试系统对轮毂进行模态实验，提取轮毂的频率以及对应振型。自由模态实验与仿真结果之间的误差小于±4％,约束模态仿真频率在4次实验结果频率范围内，验证了轮毂模型的准确性，保证了后续对轮毂的有限元仿真以及疲劳寿命预测的正确性。　　(2)根据国标中对轮毂疲劳试验的描述建立仿真模型进行计算，通过多载荷步的方法来模拟完整的试验过程，仿真结果显示轮毂弯曲以及径向最大等效应力分别为121.96MPa和93.04MPa,小于轮毂材料的许用应力，同时发现应力集中区域，为轮毂疲劳寿命的预测奠定了基础。根据轮毂有限元仿真结果利用NCODE软件，对轮毂疲劳寿命的最低循环次数进行预测，运用循环系数修正法对损伤法则进行修正，使其可运用于多载荷步疲劳损伤计算。轮毂弯曲疲劳寿命最小循环次数为2.89×105次;径向疲劳寿命最小循环次数为5.65×106次，满足国标的要求，为后续轮毂的优化奠定了基础。　　(3)根据轮毂有限元仿真结果以及疲劳寿命的预测结果对轮毂结构进行拓扑优化,寻找轮毂结构的最优材料分布，对重新设计的轮毂进行有限元仿真计算以及疲劳寿命预测，重新设计的轮毂质量减轻比约10.8％,仿真结果显示，轮毂的最大应力小于材料的许用应力。优化后轮毂弯曲疲劳寿命最小循环次数约为1.5×105次。轮毂径向疲劳寿命最小循环次数约为2×106次。满足国标对商用汽车轮毂疲劳寿命的最低循环次数的要求。　　(4)对拓扑优化后的轮毂模型进行仿生学优化，自然界中的蜂窝是典型的轻质高强度结构，其受力特征与轮毂弯曲的典型工况受力方式相似，根据蜂窝结构对轮毂的轮辐位置进行重新设计。选取加强筋到法兰面的距离X2、减重孔壁厚X4、轮辐蜂窝孔直径X5作为响应面分析优化参数，对仿生优化的轮毂进行响应面优化。最终轮毂弯曲疲劳寿命仿真结果为1.72×105次。满足国标对商用汽车轮毂弯曲疲劳寿命的最低循环次数的要求。与拓扑优化的轮毂相比最终蜂窝仿生轮毂的质量减轻比约23％,质量下降区域主要集中在轮辐位置。蛛网结构具有高强度和高弹性，能够承受高强度的拉力和扭曲力,受力情况与轮毂径向载荷相似，根据蛛网结构对轮毂的轮辐位置进行重新设计，选择加强筋与轮辐之间的夹角Y1;加强筋之间的距离Y2;加强筋的厚度Y3为设计参数，通过BP神经网络对蛛网轮毂进行优化。最终轮毂径向疲劳寿命仿真结果为1.25×106次。满足国标对商用汽车轮毂的径向疲劳寿命的最低循环次数的要求。与拓扑优化的轮毂相比最终蛛网仿生轮毂的质量减轻比约26.7％。对比了三种轮毂的旋转性能，在相同的转速情况下仿生轮毂的旋转性能都有所提升。最后讨论了自然界中其他的轻质高强结构并对轮毂进行仿生优化，计算出仿生后轮毂对应的最大应力小于材料的许用应力。
作者：	刘鹏
专业：	机械
导师：	刘娜;赵亮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2023