车轮多目标优化设计方法技术

车轮多目标优化设计方法，涉及车辆工程技术领域，解决现有仅针对车轮的有限性能进行分析和优化、缺失参数化建模而导致优化空间有限以及没有联合调用各性能计算软件进行自动优化设计等问题，包括：车轮疲劳试验的拓扑优化、联合拓扑优化建模、疲劳性能分析、冲击性能分析、空气动力学性能分析和多目标优化的步骤。设置车轮动态弯曲疲劳试验、动态径向疲劳试验、冲锤正对辐条冲击试验、冲锤正对窗口冲击试验和车轮空气动力学分析五种工况；综合考虑车轮的强度、刚度、振动特性、疲劳寿命、疲劳寿命安全系数、冲击性能、空气动力性和轻量化性能等性能；通过有限元软件仿真计算各性能参数，并设置各性能参数为约束条件或目标函数对车轮进行优化设计。

【技术实现步骤摘要】
车轮多目标优化设计方法
本专利技术涉及车辆工程
，具体涉及到车轮的多目标优化设计方法。
技术介绍
车轮是汽车行驶系中最重要的承载件和安全构件，属于非簧载质量，工作中既有各向移动又有绕车轮中心的旋转运动，承受弯曲、扭转、剪切和冲击等多种复杂动载荷作用，其综合性能优劣直接影响汽车的经济性、动力性、操纵性、舒适性、制动性和行车安全。国内外研究人员在关于车轮的性能分析与优化方法上取得了很多成果，但目前的研究和优化方法都是针对车轮的有限性能进行分析研究，没有对车轮的强度、刚度、振动特性、疲劳寿命、冲击性能、空气动力性和轻量化等进行综合性能联合分析和优化。这种分析和优化方法会使车轮在某一方面性能得到改善的同时，可能会导致车轮其它方面性能恶化的不足。而且，目前车轮基于疲劳试验和冲击试验的优化设计中，多集中在仿真分析、试验验证和对车轮失效的预测上，在优化设计中将车轮疲劳性能和冲击性能仅用作检验和校核优化后的车轮，而不是直接作为约束条件；车轮优化设计时没有对车轮进行参数化，而是在参数化阶段设置多组模型进行对比或者仅将车轮厚度作为设计变量，极大减弱了车轮结构的变形能力，优化空间和效果有限。此外，气本文档来自技高网...

【技术保护点】
车轮多目标优化设计方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：步骤一、在三维建模软件中建立车轮概念设计模型，在有限元前处理软件中分别建立基于动态弯曲疲劳试验和动态径向疲劳试验两种工况下的车轮拓扑优化模型；在Optistruct软件中设置约束条件和目标函数，在两个拓扑优化模型中分别添加最小尺寸约束、旋转类部件的对称约束和车轮加工工艺约束，然后分别进行拓扑优化得到两种工况下车轮的拓扑结构；步骤二、根据步骤一获得的两种工况下车轮的拓扑结构，在有限元前处理软件中建立车轮的联合拓扑优化模型，在Optistruct软件中进行联合拓扑优化，获得车轮联合拓扑优化后的结构和材料密度云图，并采用三维建模软件建立联合拓扑...

【技术特征摘要】
1.车轮多目标优化设计方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：步骤一、在三维建模软件中建立车轮概念设计模型，在有限元前处理软件中分别建立基于动态弯曲疲劳试验和动态径向疲劳试验两种工况下的车轮拓扑优化模型；在Optistruct软件中设置约束条件和目标函数，在两个拓扑优化模型中分别添加最小尺寸约束、旋转类部件的对称约束和车轮加工工艺约束，然后分别进行拓扑优化得到两种工况下车轮的拓扑结构；步骤二、根据步骤一获得的两种工况下车轮的拓扑结构，在有限元前处理软件中建立车轮的联合拓扑优化模型，在Optistruct软件中进行联合拓扑优化，获得车轮联合拓扑优化后的结构和材料密度云图，并采用三维建模软件建立联合拓扑优化后的车轮模型；步骤三、在有限元前处理软件中分别建立步骤二获得的联合拓扑优化后的车轮模型在动态弯曲疲劳试验和动态径向疲劳试验工况下的有限元模型，并分别计算两种工况下车轮的强度、刚度、模态、疲劳寿命和疲劳寿命的安全系数的性能参数；步骤四、在有限元前处理软件中建立步骤二获得的联合拓扑优化后的车轮模型在冲击试验下的有限元模型，并检验有限元模型的可信性，选用合适的轮胎材料模型，基于不同应变率下车轮材料的本构关系在冲击性能的分析软件中分别分析冲锤正对辐条和正对窗口冲击两种工况下轮胎内的气压变化、冲击后车轮应变及分布和超出车轮材料弹性变形极限的应变分布；步骤五、在有限元前处理软件中，采用标准车模建立虚拟风洞模型，在流体计算软件中进行计算分析，并采用标准车模试验数据验证所述虚拟风洞模型的正确性，将步骤二获得的联合拓扑优化后的车轮模型和制动盘装配在标准车模内，建立车轮空气动力学分析工况，分析整车的气动阻力、前后车轮湍流强度和前后制动盘的温度及表面对流传热系数；步骤六、采用网格变形技术，在结构强度分析中，所述车轮动态弯曲疲劳试验、动态径向疲劳试验、冲锤正对辐条冲击试验和冲锤正对窗口冲击试验四种工况，采用DEP-MeshWorks软件或HyperMorph软件对步骤三和步骤四中有限元模型中的所述联合拓扑优化后的车轮进行参数化建模；在计算流体动力学分析中，所述车轮空气动力学分析工况，使用Sculptor软件对步骤五中有限元模型中的所述联合拓扑优化后的车轮模型进行参数化建模，并在ICEM软件中进行前处理；共建立五种工况下的所述联合拓扑优化后的车轮的参数化模型，采用Isight或HyperStudy软件集成所述五种工况的计算软件综合运用DOE采样、近似模型理论和多目标优化算法对车轮进行多目标优化设计，得到Pareto前沿；在所述Pareto前沿中选取最优解，根据最优解找到各个性能指标的响应值和车轮设计变量的取值，根据设计变量的值确定车轮的几何参数，获得最终确定的车轮模型。2.根据权利要求1所述的车轮多目标优化设计方法，其特征在于，动态径向疲劳试验的车轮拓扑优化模型中，根据车轮动态径向疲劳试验对车轮模型添加约束和载荷，约束车轮安装面上五个螺栓孔的全部自由度，胎圈座2θ0角度内加载振幅为1.88MPa的余弦压力，两胎圈座之间的轮辋外表面上加载0.45MPa的充气压力，车轮的径向负荷Fr，满足式：Fr＝FvK式中，Fv为车轮最大垂直静负荷；K为强化试验系数；径向负荷Fr在车轮上的加载压力在2θ0角度范围内呈余弦分布，选取加载角度θ0取径向负荷Fr与加载压力的余弦振幅A0满足式：式中：F为车轮单侧胎圈座受力；rB为加载处半径；B为加载面的宽度；单个加载压力A与压力加载范围2θ0角度的中线夹角为θ；所述基于动态弯曲疲劳试验车轮拓扑优化模型的约束条件和目标函数为：约束车轮的强度和刚度，车轮强度用许用应力约束，车轮刚度通过车轮节点的最大偏移量约束，以车轮单元密度为设计变量，最大VonMises应力、节点最大偏移量为约束条件，质量最小为目标函数；建立数学模型为：式中，m(ρ)为拓扑优化的车轮质量；σb(ρ)为车轮弯曲载荷下的最大VonMises应力；σd为车轮许用应力，D(ρ)为车轮节点最大偏移量；D0为车轮节点许用偏移量，ρ为单元密度；所述基于动态径向疲劳试验车轮拓扑优化模型的约束条件和目标函数为：约束车轮的强度和刚度，车轮强度用许用应力约束，车轮刚度通过车轮的加权柔度约束，以车轮单元密度为设计变量，最大VonMises应力、加权柔度为约束条件，质量最小为目标函数；其数学模型为：式中：σr(ρ)为车轮径向载荷下的最大VonMises应力；Cr(ρ)为车轮径向载荷下的加权柔度，Cr0为柔度许用值。3.根据权利要求1所述的车轮多目标优化设计方法，其特征在于，所述最小尺寸约束的约束单元最小尺寸为2mm；所述旋转类部件的对称约束在Optistruct中的patterngrouping卡片下实现；所述车轮加工工艺约束为添加拔模约束；所述两种工况下车轮的拓扑结构，是选取车轮单元密度为0.3时的拓扑结构；所述动态弯曲疲劳试验工况下车轮的拓扑优化结构中，加载轴的弯矩沿着车轮螺栓孔向轮辐传递，而且产生的应力依次递减；所述动态径向疲劳试验工况下车轮的拓扑优化结构中，轮辐材料沿着安装面螺栓孔向轮辋扩散分布；所述两种工况下车轮的拓扑结构分别由车轮安装面螺栓孔的个数和径向负荷分布角度2θ0决定。4.根据权利要求1所述的车轮多目标优化设计方法，其特征在于，步骤二中，在有限元前处理软件中建立车轮的联合拓扑优化模型，联合拓扑优化的数学模型为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王登峰，张帅，汪勇，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22