使用ComsolMultiphysics®优化复合轮辋设计

想象以下图片：您正坐在一场过度拥挤的汽车赛车比赛中的看台上。下面，一级方程式赛车在轨道上排队。起始手枪撞了一辆轰炸，汽车闪烁。一级方程式汽车如何以闪电般的速度加速？一个促成因素之一是它们的轻巧，复合构建。现在，复合材料也被用于日常车辆。

为什么要使用复合材料作为轮辋？

复合材料是异质的，由两个或多个不同性质的组成部分组成。这些特性提供了复合材料独特的特征，例如超级强度。不仅复合材料很强，而且还很轻巧 - 使其成为车轮轮辋的理想选择。

厚的三层层压板，是复合材料的一个例子。

与钢和铝制轮辋相比，复合轮辋具有较低的液压质量值，从而导致轮毂的情况更好：

• 加速度
• 制动
• 转弯

复合轮辋也传输较少的高频振动因为它们具有比金属轮辋更好的阻尼能力。

没有什么是完美的，而且复合材料也不例外。它们是人造的，这使他们难以再利用和处置，而且价格昂贵。实际上，有些复合轮轮辋的价格高达$ 12,000一套！

由于复合轮辋仍然是一个相对较新的概念，因此汽车行业的开发人员和制造商可能会完全相信它们作为铝和钢轮辋的替代品。模拟可以通过显示复合轮辋如何在现实世界中起作用并从一开始就改善复合轮辋设计来帮助减轻这些担忧。

在此示例中，使用碳 - 环氧层压板的复合轮辋进行建模复合材料模块，是结构力学模块和comsolMultiphysics®。

用comsolMultiphysics®建模复合轮辋

复合轮辋的几何形状由两个主要部分组成：

1. 边缘区域
2. 集线器辐条区域

复合轮辋模型的几何形状。

轮辋区域的表面由16个层压层层组成，轮毂辐条区域由8组成。两个区域都由平衡的式上篮组成。轮毂和辐条区域的堆叠序列（使用层压层上层的习惯符号）为[0/45/90/-45]_s，对于边缘区域，它是[[0/45/90/-45]_s这是给予的₂。

每层由碳 - 环氧材料或碳纤维制成，厚度为0.4 mm。（碳 - 环氧可以是比钢强10倍）

集线器辐区（左）和边缘区域（右）堆叠序列的示例。

进行了两种类型的分析：

1. 静止，其中包括轮胎压力和车轮上的总负荷
2. 预应力的特征频率，当轮辋以3000 rpm旋转时，在旋转框架力下执行

压力分析

考虑了静态负载的两个贡献：

1. 轮胎中的过压为2 bar或200 kpa
2. 单轮携带的总负荷对应于1120千克的重量，该值包括车辆的重量以及安全因子的动态效果；该载荷被用作轮胎接触的边缘表面的压力

von Mises等效压力可以用于概述应力分布，即使它不直接用于评估复合材料中的故障风险。高von mises应力出现在轮胎负荷作用的辐条区域。

复合轮辋中的von mises应力分布的示例。

在下面，您可以看到，轮毂辐区（左）的第3层以及边缘区域（右）的14和15层的应力很高。

冯·米塞斯（Von Mises）应力分布的示例（左）和边缘区域（右）的每一层中。

您还可以分析轮辋和辐条区域特定点的应力变化。在这里，您可以在每个层中看到不同的压力水平。在这一点上，最大应力在边缘的最外层和辐条区域中发现，这很常见。

冯·米塞斯（von Mises）应力的厚度变化在轮辋和辐条区域的特定点。

模态分析

前进到预应力特征频率分析，您可以查看轮辋的旋转速度如何影响其各种模式形状。在这里，您可以在3000 rpm旋转时看到车轮的前四个本征码。（对于快速估计，km/h中的速度为rpm值除以10，因此该速度为300 km/h或200 mph的订单。）

复合轮辋（135 Hz）发现的第一个特征频率对应于大约8000 rpm，远高于轮子的正常工作范围。由于碳 - 环氧复合材料具有高强度重量比，因此轮辋可以获得高频率的高值。

随着复合材料在汽车行业变得越来越流行，精心设计的复合轮辋的重要性正在上升。在此示例中，您可以查看如何通过在复合材料模块中执行应力和模态分析来有效地建模和分析复合轮辋。

自己尝试

通过单击下面的按钮下载复合轮辋教程模型的压力和模态分析。这样做将带您进入应用程序库示例。