[發明專利]車輪多目標優化設計方法

有效

• 申請號: 201710307334.7
• 申請日: 2017-05-04
• 公開（公告）號: CN107145663B
• 公開（公告）日: 2020-03-13
• 發明（設計）人: 王登峰;張帥;汪勇
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/15
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所(普通合伙) 22210
• 代理人: 朱紅玲

車輪多目標優化設計方法，涉及車輛工程技術領域，解決現有僅針對車輪的有限性能進行分析和優化、缺失參數化建模而導致優化空間有限以及沒有聯合調用各性能計算軟件進行自動優化設計等問題，包括：車輪疲勞試驗的拓撲優化、聯合拓撲優化建模、疲勞性能分析、沖擊性能分析、空氣動力學性能分析和多目標優化的步驟。設置車輪動態彎曲疲勞試驗、動態徑向疲勞試驗、沖錘正對輻條沖擊試驗、沖錘正對窗口沖擊試驗和車輪空氣動力學分析五種工況；綜合考慮車輪的強度、剛度、振動特性、疲勞壽命、疲勞壽命安全系數、沖擊性能、空氣動力性和輕量化性能等性能；通過有限元軟件仿真計算各性能參數，并設置各性能參數為約束條件或目標函數對車輪進行優化設計。

技術領域

本發明涉及車輛工程技術領域，具體涉及到車輪的多目標優化設計方法。

背景技術

車輪是汽車行駛系中最重要的承載件和安全構件，屬于非簧載質量，工作中既有各向移動又有繞車輪中心的旋轉運動，承受彎曲、扭轉、剪切和沖擊等多種復雜動載荷作用，其綜合性能優劣直接影響汽車的經濟性、動力性、操縱性、舒適性、制動性和行車安全。

國內外研究人員在關于車輪的性能分析與優化方法上取得了很多成果，但目前的研究和優化方法都是針對車輪的有限性能進行分析研究，沒有對車輪的強度、剛度、振動特性、疲勞壽命、沖擊性能、空氣動力性和輕量化等進行綜合性能聯合分析和優化。這種分析和優化方法會使車輪在某一方面性能得到改善的同時，可能會導致車輪其它方面性能惡化的不足。

而且，目前車輪基于疲勞試驗和沖擊試驗的優化設計中，多集中在仿真分析、試驗驗證和對車輪失效的預測上，在優化設計中將車輪疲勞性能和沖擊性能僅用作檢驗和校核優化后的車輪，而不是直接作為約束條件；車輪優化設計時沒有對車輪進行參數化，而是在參數化階段設置多組模型進行對比或者僅將車輪厚度作為設計變量，極大減弱了車輪結構的變形能力，優化空間和效果有限。

此外，氣動升力影響汽車的動力性和操縱穩定性，而對流傳熱占制動盤熱傳遞的90％。旋轉的車輪會干涉車輪附近的流場和汽車尾渦，進而影響整車空氣阻力和制動盤表面對流傳熱。因此，通過優化車輪結構來降低整車空氣阻力和提高制動盤表面對流傳熱性能具有重要意義。

因此，同時研究并考慮車輪綜合性能的多學科、多目標優化設計方法便具有重要的理論意義和工程實用價值。

發明內容

本發明為解決現有技術僅針對車輪的有限性能進行分析和優化、缺失參數化建模而導致優化空間有限以及沒有聯合調用各性能計算軟件進行自動優化設計等問題，提供一種車輪多目標優化設計方法。

車輪多目標優化設計方法，該方法由以下步驟實現：

步驟一、在三維建模軟件中建立車輪概念設計模型，在有限元前處理軟件中分別建立基于動態彎曲疲勞試驗和動態徑向疲勞試驗兩種工況下的車輪拓撲優化模型；

在Optistruct軟件中設置約束條件和目標函數，在兩個拓撲優化模型中分別添加最小尺寸約束、旋轉類部件的對稱約束和車輪加工工藝約束，然后分別進行拓撲優化得到兩種工況下車輪的拓撲結構；

步驟二、根據步驟一獲得的兩種工況下車輪的拓撲結構，在有限元前處理軟件中建立車輪的聯合拓撲優化模型，在Optistruct軟件中進行聯合拓撲優化，獲得車輪聯合拓撲優化后的結構和材料密度云圖，并采用三維建模軟件建立聯合拓撲優化后的車輪模型；

步驟三、在有限元前處理軟件中分別建立步驟二獲得的聯合拓撲優化后的車輪模型在動態彎曲疲勞試驗和動態徑向疲勞試驗工況下的有限元模型，并分別計算兩種工況下車輪的強度、剛度、模態、疲勞壽命和疲勞壽命的安全系數的性能參數；