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為了節(jié)省能源，汽車車輪向輕量化發(fā)展，鋁材以其優(yōu)點被廣泛地應用，因此，車輪材料選用 鋁合金。為了減輕車輪重量，本研究應用有限元分析軟件NASTRAN對汽車車輪進行強度分析和優(yōu)化設計，實現(xiàn)了減輕車輪的目的。
NASTRAN是美國MSC公司的重要產品，其分析功能覆蓋了絕大多數工程領域，并為用戶提供了方便的分析模塊化功能選項。同時，其結構優(yōu)化功能較為強大，包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)一化等等。本研究中使用的方法為尺寸優(yōu)化，尺寸優(yōu)化的相關變量處理起來較為方便，此外，NASTRAN提供了Design Study基本工具，用于結構的尺寸優(yōu)化。
對車輪施加邊界條件時，將車輪的4個螺栓孔進行固定，對其6個自由度都加以約束，這樣的約束是滿足實際情況的。
加載荷時，以動態(tài)彎曲疲勞實驗數值為基礎，試驗臺安裝有旋轉裝置，車輪可在一個固足小動的彎矩作用下旋轉，或是靜止不動，而承受彎曲力矩的作用。為了能在PATRAN軟件中施加這一載荷，將偏心距向車輪中心移置，其等效為一個作用于輪轂的彎矩和一個作用于輪輛半周的分布力。此外，輪轂還要受到輪胎的氣壓作用和汽車自重的壓力，根據實際情況并結合車輪參數得到綜合的力學模型，由分析后的應力云圖可以看出，由于受分布力加載方式的影響而在其作用處的輪輛部位產生一定的應力集中，在輪轂邊緣處引起較大的應力集中，而且應力是從邊緣到內部逐漸減小，最大應力處的應力值為84.7 MPa，小于鋁合金的強度極限240 MPa，其強度儲備很大，因此還可以做進一步的優(yōu)化。
一般說，設計變量越減少，優(yōu)化就越簡單，所以優(yōu)化設計的變量必須選擇考究，汽車車輪是由輪轂和輪輻組成的，它們是承載件，受力復雜，組件采用板殼單元進行建模，故設計變量分別取它們的板厚。
1)性能約束，性能約束也稱為功能約束，是根據設計對象應滿足的功能要求而建立的約束條件。對于汽車車輪，設計應力須小于所有材料的許用應力，而且應盡可能的降低設計應力。
汽車車輪材料采用鋁合金，其許用應力為240 MPa，因此應力約束<240 MPa。
2)邊界約束，邊界約束規(guī)定了設計變量的取值范圍，對于汽車車輪的輪轂和輪輻，其板厚可根據經驗確定其變化的上下限，輪轂的上限值為30 mm，下限值為5 mm，輪輻的上限值為20 mm，下限值為3 mm。
專業(yè)從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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