随着汽车轻量化的不断推进,铝合金轮毂应用愈加广泛。如何在“铝代钢”的应用基础上进一步实现轻量化,是当前汽车轻量化领域面临的重点课题。本文以商用车6061铝合金轮毂为研究对象,通过理论分析探明轮毂的薄弱区域以及该区域的材料变形规律,设计等效试验进一步了解其显微组织和力学性能变化,基于此对轮毂进行结构尺寸优化设计,实现轻量化的目标。通过有限元方法模拟了轮毂在动态弯曲疲劳试验和动态径向疲劳试验中的等效应力分布和变形情况,探明了轮毂在动态径向疲劳试验中的等效应力和变形量较大,分别为156.37 MPa和0.47 mm,在轮毂通风孔处易发生疲劳裂纹缺陷,是轮毂结构的薄弱区域。根据实际生产要求和轮毂结构特点,制定了两步锻造成形工艺,利用Deform-3D有限元软件分析了成形过程中不同变形阶段的材料流动、等效应力和等效应变。通过点追踪得到轮毂薄弱区域的三向应力状态和等效应变数值,根据薄弱区域等效应变为1.18设计单向压缩等效试验,对应分析试样中与薄弱区域材料等效应变相同,应力状态相似的芯部区域的显微组织和力学性能,得到薄弱区域材料在成形过程中屈服强度和抗拉强度分别提高了77.1 MPa和61.6 MPa,显微组织得到明显细化。根据薄弱区域材料变形过程中的力学性能变化,以安全使用条件下的轻量化为目标,选择薄弱区域的通风孔内圆角半径和轮辋厚度以及轮缘厚度为设计变量,以轮毂在动态径向载荷下的最大等效应力和加载方向变形量为状态变量,同时结合响应面优化方法中的敏感度数据设计定义域范围,在此基础上对轮毂进行结构优化设计,实现轮毂的二次轻量化,使轮毂减重8.3%,且薄弱区域结构得到增强,提高了轮毂的使用安全性。