一种汽车轮毂的轻量化设计方法
【专利摘要】本发明设计了一种汽车轮毂的轻量化设计方法，包括以下步骤：S1：建立汽车轮毂三维几何模型并将几何模型轮辐区域材料填满；S2：建立轮毂拓扑优化数学模型，利用拓扑优化得到轮毂的最佳材料分布结构；S3：根据拓扑优化后的轮毂结构，在CAD软件里进行二次设计并进行强度分析；S4：利用拉丁方试验采样和响应面技术建立近似模型，结合进化算法对二次设计后的轮毂进行尺寸寻优；S5：对优化后的模型在进行强度验证。本方法首先通过拓扑优化对汽车轮毂进行概念设计，得到汽车轮毂的最佳材料结构分布，然后以轮毂的强度为约束条件，利用拉丁方试验方法和响应面技术建立近似模型，结合进化算法对二次设计后的轮毂进行详细尺寸优化，从而达到轮毂轻量化的目的。
【专利说明】一种汽车轮毂的轻量化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及汽车轻量化技术，尤其涉及一种汽车轮毂的轻量化设计方法。
【背景技术】
[0002] 轮毂是汽车行驶系统中的一个重要组成部分，它质量和性能的好坏直接影响汽车 的安全行驶，所以对轮毂的研发尤为重要。我国汽车工业发展较晚，与西方发达国家相比还 有很大差距。我国汽车设计主要还是依靠类比和经验方法，这样不但造成了产品的生产周 期长，设计效果差，而且增加了劳动强度和成本，对后期的出现的缺陷问题进行补救难。国 内轮毂产业随着汽车工业的发展也日趋繁荣，但很多轮毂企业重视设备引进，忽视了工艺 改进和一些关键技术，只有少数厂家结合CAE技术形成了自己完整的生产系统。
[0003] 随着节能减排日趋紧迫，汽车轻量化成为汽车工业发展的新方向。轻量化设计是 在保证汽车满足基本的使用刚度和强度的前提下，对汽车结构进行更优化设计以达到降低 汽车重量的目的。汽车轮毂的轻量化不但减少了材料使用和燃油消耗，而且减少悬架系统 中的非簧载质量部分将有助于汽车的舒适性和平顺性；从而汽车轮毂轻量化设计是实在必 行的。
【发明内容】
[0004] 为了达到汽车轮毂轻量化的目的，本发明所采用的技术方案为一种汽车轮毂的轻 量化设计方法，包括以下步骤：
[0005] S1 :建立汽车轮毂三维几何模型，将轮毂几何模型轮辐区域材料填满；
[0006] S2:建立汽车轮毂拓扑优化数学模型，利用拓扑优化得到轮毂的最佳材料结构分 布；
[0007] S3 :根据拓扑优化后的轮毂结构，在CAD软件里进行二次设计并进行有限元分析；
[0008] S4 :利用拉丁方试验方法和响应面技术建立近似模型，结合进化算法对二次设计 后的轮毂进行尺寸优化；
[0009] S5 :对优化后的最终模型进行有限元强度验证。
[0010] 所述步骤S1中建立三维几何模型后仅将轮毂轮辐区域材料填满。
[0011] 所述步骤S2中，以轮毂的柔度最小（刚度最大）为目标，体积分数作为约束构件 数学模型，在给定的模型设计域中寻找材料的最佳分布。对汽车轮毂进行六面体网格划分 并确定轮毂的设计区域和非设计区域。进行六面体网格划分时，先画轮辋区域的网格，然后 对轮辐区域经行剖分。根据轮辐区域的六个螺栓孔将轮辐区平均剖分成六份，对其中之一 份进行划分，然后进行镜像复制，最后对划分好的网格进行节点缝合和质量检查。
[0012] 所述步骤S3中，以拓扑优化后的结构尺寸为参照，在CAD软件里建立汽车轮毂新 的三维几何模型，建立过程中可以删除对轮毂性能无影响的复杂结构。对建立好的轮毂模 型进行有限元分析验证，看是否满足强度要求。如果满足要求，看能否进行详细的轻量化设 计。
[0013] 所述步骤S4中，确立轮毂尺寸优化的设计变量、目标和约束。本设计主要对轮毂 轮辐部分进行轻量化详细设计，所以选取汽车轮毂的轮辐厚度、轮辐宽度以及轮辐矩形孔 的长度大小为设计变量，以轮毂质量最轻为目标，以轮毂强度为约束，目标函数可描述为：
[0014] minm(x1, x2, x3)
[0015] x: G [di，1J, x2 G [d2, 12], x3 G [d3, 13]
[0016] o ^ op
[0017] 式中m为轮毂质量；Xp x2、x3分别为轮辐厚度、轮辐宽度和轮辐矩形孔长度，它们 的单位为mm; 〇为壳体的强度值，〇1)为轮毂的许用强度值。
[0018] 利用最优拉丁方实验方法对样本进行30组采样，对30组采样数据分别建立三维 几何模型并进行有限元分析，得到仿真数据。依据得到的数据，利用多项式响应面法对轮毂 的强度和质量建立近似模型并检查近似模型是否满足精度要求，如果满足则进行进化算法 寻优，根据进化算法的寻优结果重新建立三维几何模型；如果不满足则重新建立近似模型。
[0019] 所述进化算法为以标准遗传算法作为框架，采用二进制编码，种群数为30,以排序 选择法作为选择方案，用均匀交叉作为交叉方法，交叉率为〇. 5,变异率为0. 01。
[0020] 由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种汽车轮毂的轻量化设计方法，通过 拓扑优化对汽车轮毂进行前期概念设计，得到汽车轮毂的最佳材料结构分布，然后以轮毂 的强度为约束条件，利用拉丁方试验方法和响应面技术建立近似模型，结合进化算法对二 次设计后的轮毂进行详细尺寸优化，从而达到轮毂轻量化的目的。并且本发明公开的方法 还具有以下有益效果：
[0021] 1、采用CAE技术对汽车轮毂分别进行前期设计和详细设计，不但减少了产品生产 周期，而且减少了劳动强度和成本，在后期出现的缺陷问题容易补救。
[0022] 2、本方法中采用近似模型方法进行尺寸优化，不但可以得到较高的精度而且可以 提高计算效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 以下通过附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
[0024] 图1本发明流程图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明具体实施步骤：
[0026] S1:建立汽车轮毂三维几何模型，将轮毂几何模型轮辐区域材料填满；
[0027]S2:建立汽车轮毂拓扑优化数学模型，利用拓扑优化得到轮毂的最佳材料结构分 布；
[0028] S3 :根据拓扑优化后的轮毂结构，在CAD软件里进行二次设计并进行有限元分析；
[0029] S4:利用拉丁方试验方法和响应面技术建立近似模型，结合进化算法对二次设计 后的轮毂进行尺寸优化；
[0030] S5 :对优化后的最终模型进行有限元强度验证。
[0031] 实施例1
[0032] 本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施 方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。实例样例是根据某型号 汽车轮毂实际尺寸建立的三维几何模型。
[0033] 具体实施步骤为：
[0034] 步骤1:根据某型号汽车轮毂实际尺寸在CAD软件里建立三维几何模型，然后将轮 毂的轮辐区域材料填满。
[0035] 步骤2:以轮毂的柔度最小（刚度最大）为目标，体积分数作为约束，在给定的模 型设计域中寻找材料的最佳分布建立数学模型，对上一步汽车轮毂进行六面体网格划分并 确定轮毂的设计区域和非设计区域。进行六面体网格划分时，先画轮辋区域的网格，然后对 轮辐区域经行剖分。根据轮辐区域的六个螺栓孔将轮辐区平均剖分成六份，对其中之一份 进行划分，然后进行镜像复制，最后对划分好的网格进行节点缝合和质量检查。
[0036] 步骤3 :以第二步拓扑优化后的结构尺寸为参照，在CAD软件里建立汽车轮毂新的 三维几何模型，建立过程中可以删除对轮毂性能无影响的复杂结构。对建立好的轮毂模型 进行有限元分析验证，二次设计后的轮毂满足强度要求，且存在设计余量，可以进行下一步 的详细尺寸设计。
[0037] 步骤4 :确立轮毂尺寸优化的设计变量、目标和约束。本设计主要对轮毂轮辐部分 进行轻量化详细设计，所以选取汽车轮毂的轮辐厚度、轮辐宽度以及轮辐矩形孔的长度大 小为设计变量，以轮毂质量最轻为目标，以轮毂强度为约束，目标函数可描述为：
[0038] minm(x1, x2, x3)
[0039] x: G [5, 12], x2 G [35, 44], x3 G [40, 50]
[0040] 〇 彡 240MPa
[0041] 式中m为轮毂质量；Xp x2、x3分别为轮辐厚度、轮辐宽度和轮辐矩形孔长度，它们 的单位为mm ; 〇为壳体的强度值。
[0042] 然后利用最优拉丁方实验方法对样本进行30组采样，对30组采样数据分别建立 三维几何模型并进行有限元分析，得到仿真数据。依据得到的数据，利用多项式响应面法对 轮毂的强度和质量建立近似模型并检查近似模型是否满足精度要求，如果满足则进行进化 算法寻优，以标准遗传算法作为框架，采用二进制编码，种群数为30,以排序选择法作为选 择方案，用均匀交叉作为交叉方法，交叉率为〇. 5,变异率为0. 01。经过780次迭代，取值50 次得到最后平均优化结果为Xi = 8. 0038mm, x2 = 35. 0235mm, x3 = 46. 1932mm ;重新建立三 维几何模型，如果不满足则重新建立近似模型。
[0043] 步骤5将根据进化算法的寻优结果重新建立三维几何模型导入有限元软件进行 强度分析验证。经验证汽车轮毂在两种工况下的强度都满足要求。最后结果如表1所示
[0044] 表1两种优化后的结果
[0045]
【权利要求】
1. 一种汽车轮毂的轻量化设计方法，其特征在于：其步骤如下： 51 :建立汽车轮毂三维几何模型并将几何模型轮辐区域材料填满； 52 :建立汽车轮毂拓扑优化数学模型，利用拓扑优化得到轮毂的最佳材料结构分布； 53 :根据拓扑优化后的轮毂结构，在CAD软件里进行二次设计并进行有限元分析； 54 :利用拉丁方试验方法和响应面技术建立近似模型，结合进化算法对二次设计后的 轮毂进行尺寸优化； 55 :对优化后的最终模型在进行有限元强度验证。
2. 根据权利要求1所述的一种汽车轮毂的轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤S2 的具体过程如下： 521 :以轮毂的柔度最小为目标，体积分数作为约束，建立它的数学模型，在给定的模型 设计域中寻找材料的最佳分布； 522 :对汽车轮毂进行六面体网格划分并确定轮毂的设计区域和非设计区域；进行六 面体网格划分时，先画轮辋区域的网格，然后对轮辐区域进行剖分；根据轮辐区域的六个螺 栓孔将轮辐区平均剖分成六份，对其中之一份进行划分，然后进行镜像复制，最后对划分好 的网格进行节点缝合和质量检查。
3. 根据权利要求1所述的一种汽车轮毂的轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤S3 的具体过程如下： S31 :以拓扑优化后的结构尺寸为参照，在CAD软件里建立汽车轮毂新的三维几何模 型，建立过程中删除对轮毂性能无影响的复杂结构； S32:对建立好的轮毂模型进行有限元分析验证，若满足要求，验证能否进行详细的轻 量化设计。
4. 根据权利要求1所述的一种汽车轮毂的轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤S4 的具体过程如下： 541 :确立轮毂尺寸优化的设计变量、目标和约束； 选取汽车轮毂的轮辐厚度、轮辐宽度以及轮辐矩形孔的长度大小为设计变量，以轮毂 质量最轻为目标，以轮毂强度为约束，目标函数定义为： minm(x1, x2, x3) Xj ε [屯，H χ2 ε [tig，I。], X3 e W3，I3] 0 ^ °p 式中，m为轮毂质量；Xl、x2、x3分别为轮辐厚度、轮辐宽度和轮辐矩形孔长度，它们的单 位为mm ; σ为壳体的强度值，σ p为轮毂的许用强度值； 542 :利用最优拉丁方实验方法对样本进行30组采样； 543 :30组采样数据分别建立三维几何模型并进行有限元分析，得到仿真数据；依据得 到的数据，利用多项式响应面法对轮毂的强度和质量建立近似模型并检查近似模型是否满 足精度要求，如果满足则进行进化算法寻优，根据进行进化算法寻优的结果重新建立三维 几何模型，如果不满足则重新建立近似模型。
5. 根据权利要求1或4所述的一种汽车轮毂的轻量化设计方法，其特征在于：所述步 骤S4中的进化算法为以标准遗传算法作为框架，采用二进制编码，以排序选择法作为选择 方案，用均匀交叉作为交叉方法，交叉率为〇. 5,变异率为0. 01。
【文档编号】G06T17/00GK104239655SQ201410543430
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年10月14日 优先权日:2014年10月14日
【发明者】魏小鹏, 杨国营, 张强, 张建新 申请人:大连大学