汪小银_基于Altair HyperWorks热塑性复合材料车轮的轻量化设计及强度分析

基于Altair HyperWorks热塑性复合材料车轮的轻量化设计及强度分析Lightweight Design and Strength Analysis of Thermoplastic Composite Automotive WheelBased on Altair HyperWorks汪小银刘献栋单颖春摘要: 本文详细论述了使用Altair HyperWorks系列软件对热塑性复合材料车轮做概念设计、详细设计及强度分析的过程。

首先，采用OptiStruct对复合材料车轮做了多载荷工况下多设计空间和多目标的拓扑优化，实现了设计空间内材料的合理分布。

讨论了不同工况和目标权重因子的设置对拓扑结果的影响。

基于拓扑结构及加工工艺，对复合材料车轮结构进行了详细设计，包括采用预埋方式与车轮成为一整体的金属嵌件的设计。

采用HyperXtrude 模拟了注塑成型过程中材料的流动情况，获得了纤维的方向属性。

用RADIOSS求解器准确高效的仿真分析了复合材料车轮在三种工况下的承载情况。

结果表明，基于最大主应力失效准则，复合材料车轮有更大的安全裕量。

复合材料车轮重5.59kg，相比对标铝轮减重22.3%，轻量化效果明显。

本文的研究方法同样适用于其他热塑性复合材料制造而成的承载件。

关键词:热塑性复合材料，金属嵌件，Altair HyperWorks，OptiStruct，HyperXtrude Abstract:With the help of Altair HyperWorks, this paper constructs the design process and the strength analysis method of the long glass fiber reinforced thermoplastic composite (LGFT)wheel. Using OptiStruct, the multi-objective topology optimization under multiple design spaces and multiple loading cases is conducted to obtain the robust structure, where the complicated ribs generated in design spaces are quite distinct from conventional steel or aluminum alloy wheel. The effects of weighting factors of two objectives and three loading cases on the topological results are discussed. And the LGFT wheel including the aluminum alloy insert is also designed in detail based on the concept structure and molding process. The novel metallic insert molded-in is another typical feature of LGFT wheel. Using HyperXtrude, the injection moulding process is simulated to obtain the fiber directions. Capturing the material anisotropy, the strength performances of LGFT wheel are effectively calculated by the RADIOSS solver. The results show that there is larger safety margin than the baseline wheel based on the maximum stress failure criterion. The LGFT wheel of 5.59kg saves 22.3% weight compared to the aluminum alloy baseline. For the increasing requirement of automotivecomponents lightweight design, the method and consideration in this paper may also provide some ways for the design and strength analysis of other carrying structures made of thermoplastic composite.Key words:thermoplastic composite wheel, metallic insert, Altair HyperWorks，OptiStruct，HyperXtrude1 引言车轮是汽车不可或缺的关键安全零部件之一，除了承受垂直载荷外，还要承受因车辆起动、制动和行驶过程中转弯以及路面冲击等产生的多向动态载荷。

作为汽车非簧载旋转件，车轮轻量化的节能效果相当于非旋转件的1.5倍左右[1]。

车轮轻量化可以降低传统燃油汽车的油耗和排放，可以提高电动汽车的续航里程。

目前广泛使用的是钢轮和铝合金车轮，相对成熟的结构形式和加工工艺使得质量很难进一步降低。

热固性碳纤维复合材料车轮具有强度大、质量轻和美观度好等优点，应用于部分的竞技车辆和高性能车辆上[2]。

但限于高昂的价格和较低的加工效率等因素，其很难大批量广泛应用于民用汽车领域。

热塑性复合材料相比热固性复合材料，具有易成型，成本低，制造效率高和易回收等优点[3]，吸引了汽车制造商的兴趣。

本文将质量分数为50%的E-glass/PA6作为热塑性复合材料车轮的材料。

相比钢轮及铝合金车轮，复合材料车轮的结构设计及强度分析面临着更大的挑战。

长玻纤增强复合材料弹性模量和延展率较低（对本文材料，主方向弹性模量为18.4GPa，约为铝的1/4；延展率2%，约为铝的1/3），要想车轮满足使用要求，结构上的强化设计是必须的。

复合材料车轮设计的一个核心思想是利用其结构可设计性好的优势，通过结构的强化设计克服其材料性能的不足，使其满足使用要求。

采用传统设计方法，设计的难度大、周期长、费用高且结果不一定好，采用像拓扑优化方法这样的现代设计方法很有必要，目前这方面还鲜有文献涉及。

拓扑优化方法作为一种现代优化设计方法，是一种有效的结构优化设计方法。

虽然相对较新，但取得了令人意向不到的结果[4-8]。

当前对车轮的优化设计主要是形状和形貌优化，拓扑优化鲜有涉及。

Zhi等[9] 采用改进的双向进化的优化方法对车轮轮辐做了拓扑优化。

但是，目标仅仅是刚度最大化，且没有考虑弯曲工况下车轮的承受载荷情况。

肖登红等[10] 采用多目标拓扑优化方法对钢轮轮辐做了拓扑优化。

以上拓扑优化的设计空间都是车轮轮辐，而复合材料车轮在轮辐和轮辋区域均需要强化设计，即需要定义多个设计空间，目前还没有学者在这方面展开研究。

车轮作为汽车关键安全零部件，很大的螺栓预紧力（本文车轮为26，000N）被施加，较高的集中应力热塑性复合材料很难承受[11]。

另外车轮的安装面精度要求高，注塑成型很难满足。

因而，很有必要设计金属嵌件。

金属嵌件采用预埋的方式注塑后与车轮成为一个整体。

金属嵌件是热塑性复合材料车轮的一大特点，也是设计和分析的难点。

本文基于Altair HyperWorks 提出了热塑性复合材料车轮完整的结构设计和强度分析的流程。

基于OptiStruct 做了多设计空间，多载荷工况下的多目标优化，获得了车轮的概念结构。

基于拓扑结构和成型工艺，详细设计了热塑性复合材料车轮，包括金属嵌件的设计。

采用HyperXtrude 模拟了注塑成型过程中材料的流动情况。

考虑材料的各向异性，用RADIOSS 求解器准确高效仿真分析了三种工况下车轮的强度和刚度。

2 多目标拓扑优化理论2.1 多设计空间静态多刚度拓扑优化刚度最大化拓扑优化是研究在设计域内得到合理的材料分布，使结构刚度最大化的问题。

在多工况下的刚度拓扑优化问题中，每一个不同的载荷工况将对应不同的最优拓扑结构。

因此，静态多工况拓扑优化问题本身也属于多目标拓扑优化问题，利用折衷规划法转化为单目标问题求解。

在OptiStruct 软件实现过程中，应将刚度问题转换成柔度问题来研究，静态多工况刚度拓扑优化模型为:01min max min 1()min (){[]}..()/m q q q k k k k k k j j j C C C w C C s t V V f ρρρ=⎧− =⎪−⎨⎪ ≤⎩∑（1）其中()k C ρ是第k 个工况对应的柔度，min k C 和max k C 分别是最小和最大柔度，k w 和q 分别是权重因子和惩罚因子。

()j V ρ和0j V 分别是第j 个设计空间优化后和优化前的体积分数，j f 是对应的体积分数约束值。

2.2 多设计空间动态拓扑优化动态固有频率拓扑优化一般将几个低阶的重要频率的最大化作为目标函数。

其中第 1 阶固有频率往往是结构整体刚度的重要指标，结构中存在薄弱环节将导致第 1 阶固有频率的降低。

由于法规对车轮各阶固有频率下的振型无特别的要求，故只以第1 阶固有频率最大化为目标进行动态固有频率的拓扑优化。

针对频率的动力特性，拓扑优化目标函数是在满足结构约束的情况下改善结构的模态特性，使结构整体刚度提高、材料得到优化配置。

数学表达式为：01max ()..()/m i i i j j j w s t V V f ρλρ=⎧ Λ=⎪⎨⎪ ≤⎩∑（2）其中是i λ各阶的固有频率，i w 是给定的权重因子。

这里仅考虑一阶固有频率，故1i =。

2.3多设计空间多目标拓扑优化多目标拓扑优化是静态单目标和动态单目标的组合，数学表达式如下：01min 2222max 2max min max min 1()()min (){[](1)[]}..()/m k k k k k k j j j C C F w w w C C s t V V f ρρρρ=⎧⎪⎨⎪⎩−Λ−Λ=+ −Λ−Λ− ≤∑（3）以上方程和响应可以在中用以自定义的形式实现[12]。

拓扑优化的OptiStruct DRESP2有限元模型在HyperMesh 中建立，采用OptiStruct 求解，后处理在HyperView 中进行。