（机械工程专业论文）jnzl350铝合金轮毂轻量化研究.pdf

原创性声明 l i l ll ll ll li iii i i i i l l l l l l y 19 15 4 5 5 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的 学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论 文中作了明确的说明。 作者签名：冬噬二嗍趔年月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 名：婚吲趟_ 期：丛蚴卫日 摘要 铝合金轮毂是汽车行驶系统中安全部件，它的结构性能对整车的 安全性和可靠性有着重要的影响。另外，它还是整车外形美观的重要 组成部分。通过分析它的特点和发展现状，了解到质量轻、强度高、 成形性好的铝合金轮毂，对降低汽车自藿、减少油耗、改善操作性能 等有重大意义。本论文就足利用有限元分析和结构优化的方法，验证 研发设计轮毂的新途径，使轮毂达到轻量化的目的。 本文以正在研发的j n z l 3 5 0 铝合金轮毂为研究对象，应用三维 软件u g 完成轮毂的几何模型，利用有限元a n s y s 分析软件，建立 了铝合金轮毂的有限元分析模型，并对其进行分析，针对分析结果中 的应力集中和强度富余情况，对铝合金轮毂进行了结构优化，使其应 力分布更加合理，达到了提高材料的利用率和减轻自霞的目的；再根 据轮毂实际要求，对优化后的轮毂进行试验分析，试验结果与有限元 分析的结果基本吻合；从而论证了该研发设计轻量化轮毂途径的可行 性。 应用u g 造型和a n s y s 有限元方法，对铝合金轮毂进行轻量化 研究，这将大大提高轮毂的开发、设计、分析和制造的效能，进而提 高了劳动效率，降低了成本，创造了经济效益，对铝合金轮毂生产企 业有重要的借鉴意义。 关键词：铝合金轮毂，轻量化，疲劳试验，a n s y s m a b s t r a c t a u t o m o b i l e sw h e e li sa ni m p o r tr u n n i n gp a r to fa u t o m o b i l e sa n di t s s t r u c t u r ei ss i g n i f i c a n tt ot h es a f e t y ，r e l i a b i l i t ya n dt h ea p p e a r a n c eo f a u t o s t h r o u g ha n a l y s i so fa u t o m o b i l e sa l u m i n u ma l l o yw h e e l sf e a t u r e s a n dd e v e l o p m e n ts t a t u s ，w h a ti su n d e r s t o o di sa l u m i n u ma l l o yw h e e lw i t h l i g h tw e i g h t ，h i g hs t r e n g ha n dg o o df o r m a b i l i t yi ss i g n i f i c a n tt ol i g h t a u t o sw e i g h t ，r e d u c ef u e lc o n s u m p t i o n ，a n di m p r o v et h eo p e r a b i l t i y t h i s t h e s i s ，t h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n d s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nm e t h o d ， t e s t i f i e st h en e wa p p r o a c ht ow h e e l s r e s e a r c h ，d e v e l o p m e n ta n dd e s i g n f o rt h ep u r p o s eo fw h e e l sl i g h t e n i n g t h et h e s i s ，t a k i n gj n - z l 3 5 0a u t o sa l u m i n u ma l l o yw h e e lu n d e r d e v e l o p m e n ta st h er e s e a r c ho b j e c t ，u s e st h r e e - d i m e n s i o n a ls o f t w a r eu g t od e s i g nw h e e l sg e o m e t r i cm o d e l ，t h e ni n t r o d u c ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ea n s y st oe s t a b l i s ha l u m i n u ma l l o yw h e e l sf i n i t e e l e m e n t a n a l y s i sm o d e l ，a n dm a k e sa n a l y s i s a i m i n ga ts t r e s sc o n c e n t r a t i o na n d s t r e s s s u r p l u s i nt h e a n a l y s i sr e s u l t ，t h es t u d y a c h i e v e ss t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n o ft h ea l u m i n u ma l l o yw h e e l ，m a k i n ga l u m i n u m a l l o y w h e e l ss t r e s sd i s t r i b u t i o nm o r er e a s o n a b l e ，a c h i e v i n gt h ep u r p o s eo f s t r e s sd i s t r i b u t i o nh o m o g e n i z a t i o na n dh i g hu s a g eo fm a t e r i a l i nl i g h to f t h ew h e e l s a c t u a l r e q u i r e m e n t s ，t h es t u d yt e s t s a n d a n a l y z e s t h e o p t i m i z e dw h e e l sa n dt h er e s u l tf u n d e m e n t a l l ya c c o r d sw i t h t h a t b y m e a n so fi n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，w h i c hp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h e a p p r o a c he m p l o y e di nt h es t u d y t oa c h i e v el i g h tw e i g h t u s i n gu gm o d e la n da n s y sf i n i t e - e l e m e n ta n a l y s i s t om a k e r e s e a r c ho nl i g h t e n i n ga u t o sa l u m i n u ma l l o yw h e e lg r e a t l yi m p r o v e st h e e f f i c i e n c yi nw h e e l sd e v e l o p m e n t ，d e s i g n ，a n l y s i sa n dm a n u f a c t u r e ，t h u s i m p r o v i n gt h ew o r k i n ge f f i c i e n c y ，r e d u c i n gc o s ta n da c h i e v i n ge c o n o m i c e f f i c i e n c y ，w h i c hp r o v i d e ss p e c i a ll o a n sf o re n t e r p r i s e sp r o d u c i n ga u t o s a l u m i n u ma l l o yw h e e l s k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o yw h e e l ，s t r u c t u r es t r e n g h ，f a t i g u et e s t ， a n s y s i v 目录 摘要i i i a b s t r a c t i 、f 目录v 第一章绪论1 1 1 引言1 1 1 1 铝合金轮毂的优点1 1 1 2 铝合金轮毂的结构2 1 1 3 铝合金轮毂的性能质量要求3 1 2 轮毂工业的发展综述4 1 2 1 国外轮毂工业的发展现状5 1 2 2 国内轮毂工业的发展现状6 1 2 3 轮毂轻量化研究的现状6 1 2 4 存在的问题及原因解析7 1 3 铝合金轮毂轻量化研究的方法9 1 3 1 轮毂的轻量化研究方法9 1 3 2 有限元理论的应用9 1 3 3 优化设计的应用1 0 1 4 课题的来源、内容和意义1 l 1 4 1 课题来源l l 1 - 4 2 研究内容l l 1 4 3 研究意义1 2 第二章u g 和a n s y s 软件及有限元法的基础理论1 3 2 1u g 软件简述1 3 2 1 1u g 软件的组成1 3 2 1 2u g 软件的工作流程1 4 2 2a n s y s 软件简述1 5 2 2 1a n s y s 软件概述1 5 2 2 2a n s y s 软件的组成和功能1 5 2 3 有限元法基础理论1 6 2 3 1 轴对称体有限单元法1 6 2 3 2 轴对称体的离散化1 7 2 3 3 三角形环单元的位移函数1 8 2 3 4 三角形环单元的应变和应力1 8 第三章轮毂有限元模型的建立2 l 3 1 轮毂几何建模2 l 3 1 1 u g 软件建模功能分析2 1 3 1 2 轮毂结构造型分析2 2 v 3 1 3 轮毂几何建模过程2 3 3 2 轮毂有限元模型的建立2 4 3 2 1 前处理准备2 5 3 2 2 铝合金材料性质2 7 3 2 3 网格划分2 8 3 2 4 轮毂约束2 9 3 3 本章小结3 0 第四章轮毂优化分析3 l 4 1 轮毂的有限元分析3 l 4 1 1 轮毂有限元分析的意义3 l 4 1 2 轮毂有限元加载3 2 4 1 3 轮毂有限元求解3 5 4 2 轮毂结构优化分析3 8 4 2 1 轮毂结构的优化3 8 4 2 2 轮毂优化模型的建立4 0 4 2 3 优化结果的分析4 2 4 3 本章小结4 5 第五章优化后轮毂的试验分析：4 6 5 1 轮毂试验要求j 4 6 5 2 轮毂的试验分析4 7 5 2 1 轮毂的弯曲疲劳试验4 7 5 2 2 轮毂径向疲劳试验5 0 5 2 3 冲击疲劳试验5 3 5 3 轮毂轻量化改进5 5 5 4 本章小结5 7 第六章结论与展望5 8 6 1 结论5 8 6 2 展望5 8 参考文献6 0 致谢6 4 攻读硕士学位期间主要的研究成果6 5 v i 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 汽车轮毂是汽车行驶系统的主要部件之一，具有较强的实用价值，且起到装 饰作用，国际上，生产轮毂企业被称为“时装化工厂 。轮毂的形状复杂，制做 尺寸精度高，种类繁多。轮毂质量高低对车辆安全性能、行使性能和乘车的舒适 性能有着较大的影响，所以轮毂又是车辆要求较高的保安件。近年来，随着人们 对车辆安全、舒适、节能、环保等方面要求的不断提高，铝合金轮毂逐渐取代钢 制轮毂占据了车辆轮毂应用的主导地位，成为车辆轮毂的最佳选择。尽管铝合金 轮毂应用时间不长，但在设计与制造技术上发展速度很快，从上个世纪7 0 年代 起，国外发达国家开始大批量生产应用铝合金轮毂，从而使铝合金轮毂成为在汽 车上第二个应用铝合金广泛的领域f i l 。 1 1 1 铝合金轮毂的优点 目前，典型的汽车铝合金轮毂的质量约为5k g 只，随着汽车其他部件铝化 范围的扩大，铝制轮毂占汽车铝化的份额已降至1 5 - 2 5 。尽管如此，车辆 铝化和高性能化的主要零部件仍然包括生产出的先进合理的铝合金轮毂。与其他 制作轮毂的材料相比，铝合金有以下优点： 一、轮毂质量轻，生产时节能降耗。与钢制轮毂相比，铝合金轮毂的质量可 减轻3 0 - - 4 0 ，从而可以降低车辆轮毂的转动惯性，提高了车辆的加速性能， 并且相对降低了车辆制动所需的能量，减少了油耗。例如，在车辆行驶速度为 9 0 , - - , 1 2 0 k m h 时，油耗可以减少0 0 1 3 8 l l o o k m 左右。以国产奥迪轿车为例，铝 合金轮毂质量减轻了3 9 5 ；从起步到速度为l o o k m 时，加速所需要的时间减 少了0 3 秒；以9 0 - - 1 2 0 k m h 速度行驶时，油耗减少大约为0 0 5 l l o o k m ，在城 市道路上行驶时，可减少大约为o 0 4 l l o o k m ，每十万公里可节约耗油4 0 - - 5 0 l 左右。 二、改善驾驶性能，提高驾乘舒适性。与钢的材料性能相比，铝合金的振动 性能更好，并且铝合金轮毂能够高精度实现与轮胎的分离，从而减小振摆与振动， 改善车辆的重心。在轮毂制造过程中，钢制轮毂采用热轧钢或冷轧钢带旋压焊接 制造而成，而铝合金轮毂采用是更加先进的数控加工技术，所以生产出轮毂的平 衡性能优于钢制轮毂，尤其是在高速行驶时，优势更加明显。根据试验研究，铝 合金轮毂比钢制轮毂的振动程度减轻1 2 2 1 。 硕士学位论文 第一章绪论 三、散热性能更佳。车辆在行驶过程中，刹车和轮胎与路面的摩擦时都会使 轮毂产生热量，特别是高速行驶的情况下，轮毂的温度会更高，会增加产生爆胎 危险性。铝合金材料的散热系数是普通钢铁的2 , - - , 3 倍，并且铝合金轮毂表面设 计的结构特性更有利于散热，即使在长时间行驶过程中连续刹车的情况下，也能 使车轮系统保持适当的温度，因此使用铝合金轮毂可减少了热量的积累，减少了 爆胎的几率，提高了车辆行驶的安全性能【3 j 。 四、提高美观性。车轮，是车辆的“鞋子”。具体来讲，“鞋底”是轮胎，“鞋 帮儿 则是轮毂。“脚无好鞋矮半截”，因此轮毂的美观程度影响着车辆的整车形 象。现在，随着人们审美观点的日益提高，车辆轮毂的设计是汽车造型设计中一 个不可或缺的重要组成部分，轮毂造型的美观程度直接关系到车辆本身设计的品 味和档次。因此轮毂的造型设计，尤其是如何设计出具有风格特色和审美情趣的 车辆轮毂，成为轮毂制造厂商和轮毂设计者们最为关心的问题。与钢制轮毂相比， 铝合金轮毂的生产工艺更加先进，可以容易实现更加精美的外观设计和多样化造 型设计，可以最大程度实现车辆和轮毂的完美统一，提高整车的审美情趣。而且 可以通过电镀形成镀层或表面处理形成不同的色泽，还可以设计加工成各种花纹 结构，尽可能最大限度地满足各类使用者的审美需求t 4 。 1 1 2 铝合金轮毂的结构 铝合金轮毂种类繁多，在外观造型上有多轮辐、少轮辐、宽轮辐、窄轮辐等 多种造型设计；在结构上有多件组合式和整体式等多种结构设计。无论是外观 图1 - 1 轮毂结构示意图 2 孔 硕：学位论文 第一章绪论 造型设计还是结构设计，都必须要以满足安全和使用功能的要求为前提，再来满 足铝合金轮毂市场的需求。对于普通驾乘的人员来说，整体式结构的铝轮毂就能 符合其性能要求。 铝合金轮毂的结构示意刚5 1 如图1 1 所示。从图中可以看出，铝合金轮毂可 以分为轮辋和轮毂两个部分，其具体组成部分如图l - 2 所示。 r 胎圈座一与轮胎的胎圈接触，支撑维持轮胎 l 半径方向的轮辋部分。 r ，轮辋一与车胎连接部分 笔门凳二蒌萎萎盍墨篙薯畜完，轮辋部分。 ll 槽底一为方便轮胎装拆，在轮辋上留有一 轮毂 一 l 定深度和宽度的凹坑 lr 偏距一轮辋中心面到轮辐安装面的距离。 l 轮毂一与车体连接部分 轮辐一耄墨袭荤施霎嚣墨囊量篓，主釜施 l 辋的车轮部分 图1 - 2 轮毂的结构分析图 1 1 3 铝合金轮毂的性能质量要求 铝合金轮毂的品种、结构形式较多，它的要求因车的种类和车的型号不同而 不同，但对轮毂的安全性能和制造精度的要求是相同的。车辆行驶过程中，因与 轮毂相接的轮胎容易被磨损，故要求在置换轮胎时铝合金轮毂的质量轻和可分离 性好。通过图1 - 2 的分析可以得知，轮毂外装轮胎和轮毂中孔安装的车轴是基本 承载部件，车辆行驶过程中产生了垂直和横向的载倚，轮毂承受了的车辆的驱动 和制动力矩，因此轮毂的性能直接对车辆的行驶性能产生影响。例如，轮胎外径 3 3 0 r a m ，车辆行驶速度为l o o k m h ，从而可以计算出轮毂的转速大于1 0 0 0 r m i n ，则要求轮毂具有很高的平衡和振摆精度。当行驶路面凸凹不平或产生突发 性障碍时，要求铝合金轮毂不发生变形和损伤，而且还能够充分吸收冲击产生的 能量，确保驾乘人员安全【6 1 。 通过进行市场调查可以得知，汽车轮毂应备以下性能： ( 1 ) 在行驶过程中，横、纵两向的振摆要小，失衡量与惯性矩要小； ( 2 ) 轮毂材质、尺寸和形状要正确合理，能够充分发挥配套轮胎的功能， 并且具有国际通用性； ( 3 ) 制造工艺能达到生产成本低廉、设计种类繁多、产品质量稳定、可大 规模生产等要求； ( 4 ) 具有足够的强度、刚度和动态稳定性的前提下，尽量减轻轮毂质量； 3 硕士学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 与轮胎和轴的可分离性能要好； ( 6 ) 具有良好的耐久性。 设计生产铝合金轮毂的标准是根据用户要求而定的。它一般销往两个市场： 一是直接供给汽车生产厂商，例如长春一汽、上海大众等等，直接在汽车生产的 装配线上使用，这些汽车厂商都有自己的企业标准，因此所生产出来的轮毂必须 符合此使用厂商标准的要求；二是供给有车的个人用户，以满足其汽车轮毂的更 换。每个国家的轮毂市场都有自己的标准，例如美国的s f i 标准，德国的t q v 标准，日本的j w l 、v l a 等。 虽然轮毂市场对轮毂质量要求有所不同，但概括起来，有以下几点： ( 1 ) 硬度、延伸率、拉伸等机械性能； ( 2 ) 材料的合金组成成分； ( 3 ) 由于普遍使用无内胎轮胎，所以要求轮毂不漏气，即气密性好； ( 4 ) 内部组织晶粒度，致密度，还有砂眼、气孔、夹杂物的大小和分布； ( 5 ) 符合标准的几何尺寸公差和形位公差； ( 6 ) 由于轮毂兼有装饰作用，所以表面质量要求较高，通过车削加工形成 刀花、铸造面喷丸、镀铬或抛光等处理，以达到所要求的效果； ( 7 ) 轮毂的使用条件差，环境恶劣，会遇到腐蚀性的气体和液体，铝合金 在p h 大于1 0 碱性介质中，耐腐蚀性能急剧下降，必须进行喷涂，所以必须具 备良好的耐腐蚀性能1 7 j 。 1 2 轮毂工业的发展综述 随着社会的发展，对车辆的速度要求越来越高，因而对车辆轮毂性能的要求 也越来越高，即纵横向的振摆要小，失衡量和惯性矩要小，刚度和强度要求高等， 也就是要求有较高的动态稳定性和可靠性。 然而，汽车轮毂的发展却经历了一个漫长的历史过程： ( 1 ) 从1 8 8 6 年世界上第一台真正意义的车诞生以来，其轮毂继承于马车的 轮毂，轮毂分为轮辋，轮毂，辐条三个部分，轮辋是指紧贴轮毂边缘的部分，轮 毂是指套在车轴外层的部分，辐条呈放射状，并由轮毂发散到轮辋，三者是可分 离，不成一体。 ( 2 ) 随着时代的发展，科技的进步，在上个世纪初，轮毂应用铸造工艺把 轮辋、轮毂、辐条合成一体。 ( 3 ) 此后不久，随着轮毂工艺的发展，出现了钢制轮毂。直到上个世纪2 0 年代，铝合金轮毂出现前，钢制轮毂在汽车制造业中占主导地位。而现在钢质轮 毂主要用于大型客车和载重汽车，铝合金轮毂多用于中型客车和各种汽车。 4 硕 学位论文第一章绪论 ( 4 ) 现在由于镁合金的密度约为铝的2 1 3 ，钢的1 4 ，强度和刚度高，吸振 降噪性能好，抗冲击和压缩能力强，耐腐蚀性、高热性和铸造性能好，尺寸稳定 性强，是理想的减小汽车质最与节能的材料，被誉为“2 l 世纪的绿色工程材料 。 虽然目前镁合金轮毂主要用于高档汽车，但它是汽车轮毂发展的必然趋势。 1 2 1 国外轮毂工业的发展现状 现在，随着汽车节能降耗要求的不断提高，其轻量化的要求越来越迫切【引。 铝合金材料的密度小、成形性好、回收率高等性能符合其要求，这对改善车辆性 能、轻量化、节能降耗、环保等有着莺大意义。 近年来，铝合金轮毂产量的平均增长率为7 6 。特别是北美汽车轮毂铝化 率上升速度最快。2 0 1 0 年，汽车轮毂的铝化率达7 2 - 7 8 。统计数据显示， 铝合金轮毂现在年需求量已超过l 亿只。据预测，2 0 1 4 年铝合金轮毂的年需求 量将达到2 5 亿只1 9 1 。铝合金轮毂产业随着轮毂市场需求的不断扩大而不断发展， 尤其计算机辅助设计与制造技术应用方面。随着汽车工业的发展，对汽车轮毂的 设计精度和效率要求越来越高，传统基于经验的设计方法已不能适应现代化的发 展要求。发达国家从2 0 世纪5 0 年代末就开始了c a d c a m 技术的研究，如通 用公司将c a d c a m 技术应用于汽车覆盖件的设计与制造。到6 0 年代末， c a d c a m 技术日趋完善，7 0 年代已经研制出许多c a d c a m 的专门系统，可 用于各种类型的设计与制造，并取得显著的应用效果。8 0 年代，c a d c a m 技 术、已广泛用于汽车工业设计和制造。据统计，在美国，1 9 7 0 年c a d c a m 作 为一个产业的产值为零，但到1 9 9 1 年年产值高达数百亿美元，其中，机械行业 占5 1 ，电子电器行业占2 3 。8 0 年代后期到9 0 年代中期，世界上较为著名的 汽车轮毂制造公司如德国a z 公司、日本n g k 公司、美国q u a l i t y m o l d 公 司、法国m i c h e l i n 公司、d e s h o r s 公司等都在陆续调整用户品设计制造结 构，其典型的变化体现在逐步摒弃传统的设计方式，采用先进c a d c a m 建模 技术，从二维设计过渡到三维立体设计分析。例如德国a z 公司采用 d i a l ( f i d e u k l i d 软件对汽车轮毂建模；日本n g k 公司则采用d i a k l i d e u k l i d 和p r o ，e n g 矾e e r 两种软件相结合，它运用e u k l m 基于曲面建模的优势实现 汽车轮毂模具造型部分( c a d ) 的工作；其它汽车轮毂制造公司如法国d e s h o r s 、 俄罗斯p f 等则采用如c a t i a 、u n i g r a p h i c s i ( 简称u g ) 、d e l c a m 等通用软件。 到九十年代后期，这些先进的汽车轮毂制造公司基本上实现了高难度汽车轮毂的 设计制造一体化，具体体现了c a d c a m 技术已经在该领域得到了成熟的应用 t o l 。 5 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 国内轮毂工业的发展现状 汽车工业是我国国民经济的支柱产业，也是“十一五 期间蘑点发展的产 业，而汽车生产工业最能代表汽车工业的发展水平。同时带动汽车轮毂工业的发 展。但与工业化的汽车强国相比还存在不少差距，尤其足轮毂的铝化率较低。 国际市场对铝合金轮毂需求巨大，我国轮毂产品价格优势明显，轮毂产业潜 力巨大。因而我国铝合金轮毂产业发展迅速，竞争日趋激烈，企业加大了产品的 研发力度【1 1 1 ，计算机辅助设计与制造技术被广泛应用在轮毂的研发当中。我国 c a d c a m 技术的开发始于2 0 世纪7 0 年代末，发展也很迅速。但是到目前为止， 我国开发的c a d c a m 系统这些系统仍处于试用阶段，尚未在生产中推广使用。 c a d c a m 软件选型大部分为通用软件，其中尤以选用m a s t e r c a m 和u g 软 件居多。u g 是产品设计、分析与制造于一体的大型c a d c a m 软件系统，具有 较好的人机操作界面，简单易学，功能强大，涵盖了从产品的概念设计直到产品 建模、分析和制造的全过程。作为一个业界最完整的一流产品，u g 提供全系列 的工具，与功能强大的c a d c 删a e 解决方案紧密集成。能提供特征化、参 数化及变量化的概念设计；采用非均匀有理b 样条( n u r b s ) 作为曲面造型的 数学基础；采用区别于多面体的曲面实体造型，使线框模型、曲面模型和实体模 型融为一体；提供可以独立运行的面向对象的集成管理数据库系统，使c a d 、 c a m 、c a e 各部分的数据能够进行自由切换；具有良好的二次开发接口和工具 【1 2 1 。本课题以u g 为平台对铝合金轮毂进行三维建模设计，以a n s y s 对其进行 轻量化的研究。 1 2 3 轮毂轻量化研究的现状 汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低 汽车的装备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验 证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半。当前汽车的轻量化已成 为汽车产业发展中的一项关键性的研究课题，已经成为世界汽车发展的潮流。 汽车轻量化的主要途径是：一是缩小汽车的尺寸，在内部空间尺寸基本不变 的前提下缩小外形尺寸，可减少材料消耗，减小质量；二是采用轻质材料，如铝、 镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等；三是采用计算机进行结构设计， 如采用有限元分析、局部加强设计等；四是采用承载式车身，减薄车身板料厚度 岔蟹 守。 轮毂是汽车行驶系统中的重要保安部件之一，其质量和性能的好坏的直接关 系车辆行驶的安全，所以轮毂的研发显得尤为重要。轮毂轻量化设计是轮毂研发 的重要课题之一。轮毂的轻量化是必须保证轮毂的性能指标满足要求的前提下， 6 硕t 学位论文 第一章绪论 采用新型材料，或应用现代设计方法对轮毂进行优化设计，以尽可能减轻轮毂产 品自身重量。对于轮毂轻量化研发来说，关键是使用创新的材料加工技术，即： 使用高强度或低密度轻质材料或采用新型的成形工艺。前者可以使轮毂的质量大 大减轻，如高强度钢、铝、镁合金等金属材料；后者在保证工作性能的前提下可 以使轮毂的结构简化和轻型化，从而节约生产材料，如计算机辅助设计与制造技 术。轮毂的研发往往根据市场需求而定，首先确定原始数据模型，在利用c a e 技术进行最优化设计后，进行实际生产，试验测试满足要求后，再进行批量生产， 从而实现了轮毂的轻量化。当前，研发企业通常是采用高强度材料、镁铝材料， 通过结构优化以及改进成形工艺，在确保轮毂使用要求的前提下，实现轮毂的轻 量化【1 3 1 。 1 2 4 存在的问题及原因解析 我国汽车轮毂工业在国家政策扶持及“一条龙 、“双加工程 等专项技术改 革的支持下，生产铝合金轮毂是一个高产出、高利润的行业，许多厂商都投资铝 合金轮毂生产，因而国内轮毂产业得到飞速发展，但竞争日趋激烈。我国铝合金 轮毂工业发展的趋势有三种，即专业化生产，拥有知识产权，具备一定的产品研 发能力，生产出精品轮毂；规模化生产，与国外厂商合作，利用其国际销售渠道； 联手生产，联合汽车生产厂商研发轮毅。 当前，部分轮毂企业对铝合金轮毂生产的关键技术缺乏足够的认识，重视设 备的引进，忽视成形工艺改进，从而生产的产品缺乏竞争力，尤其是型号众多的 汽车企业和人们不同的审美情趣，增加了汽车轮毂的开发难度。根据汽车轮毂的 不同用途与结构特点，其表面有不同轮辐形式，轮辐是影响汽车轮毂使用性能和 寿命的重要因素。其汽车轮毂的结构，尤其是部分复杂的曲面，难以用常规的方 法进行设计。同时市场竞争提高了对汽车轮毂质量和生产周期的要求，即是要求 缩短汽车轮毂设计和生产的周期，并且提高其质量。因此应用传统的设计制造方 法，难度大，周期长，精度难以保证，难以满足市场越来越高的要求。 在高速发展的今天，轮毂的研发速度影响的企业的发展，以往仅凭研发设计 人员的经验设计，是无法满足企业生存的需要。在实际的铝合金轮毂研发过程中， 经验主义通过“设计一生产试验一再设计一再生产一再试验一的流程，这样 会造成制作成本的浪费，失去时机，从而失去竞争优势。利用计算机辅助设计， 通过“设计一建模一模拟试验一生产试验一 的方法，寻求到最佳的设计方案， 节省大量的试作成本，缩短产品研发周期，增加产品的竞争力。 现代轮毂制造企业研发轮毂的主要方法和流程如图1 3 所示【1 4 】。通过整个流 程生产出来样轮，并且经过充分地试验，一个新的铝合金轮毂研发设计才算完成。 7 硕仁学位论文 第一章绪论 项日提出 市场调研 市场定位 项目确定 概念设计 详细设计 ( 由管理阶层、设计师、市场销售人员共同参与，以管理阶层为主) 通过观察与研究人们在汽车轮毂使用中遇到的各种问题及未能得到满足的需求与愿 望，挖掘人们在汽车轮毂方面的潜在需求，提出明确的解决目标。 ( 由工业设计师、工程师、市场调查人员共同参与) l 、确定市场上确实有上述需求； 2 、考察同类汽车轮毂的市场竞争情况； 3 、考察目标汽车轮毂的市场和分析其潜在竞争环境； 4 、考察政府政策及其它宏观环境； 5 、确定该项目与人们的使用习惯有无冲突，并与现有的汽车轮毂相比有无优越性。 ( 由工业设计师、工程师共同参与，以工业设计师为主，工程师加以指导) l 、轮毂的广义市场状况和目前的市场划分情况，依据地理、消费习惯等，找到合适 的市场宅隙； 2 、选择细分目标市场及其理由； 3 、分析目标消费群的对汽车轮毂的消费特征，并进行准确定位： 4 、确定满足目标消费群的汽车轮毂的性能和技术指标，并将指标量化。 ( 由管理阶层、设计师、工程师共同参与，以工业设计师为主) l 、确定该汽车轮毂的主导方向，进行功能、性能指标、造型风格、价格等定位； 2 、对各指标进行参数化。 ( 由工业设计师、工程师共同参与，以工业设计师为主，工程师加以指导) l 、针对此项目要求，综合汽车轮毂的技术质量要求进行创造性构思； 2 、绘制不同形式、款式的草图； 3 、对草图进行比较综合，得到较为完整的草案； 4 、进行结构优化； 5 、建模成三维模型后，利用a n s y s 软件进行轮毂的应力分析，并根据分析结果进行 修改后，霞新设计成三维模型，并与顾客交流进行评估，选出较理想的方案。 ( 由工业设计师、工程师共同参与，1 3 以工业设计师为主，4 - 7 以工程师为主) l 、根据确定的汽车轮毂的方案，确定细节与尺寸； 2 、性能评估与修改； 3 、创建出汽车轮毂的原始t 程图，并考虑后续设计的要求； 4 、完成模具设计； 5 、利用软件对模具进行模拟分析，优化模具设计和t 艺方案； 6 、制造模具并生产出样轮 7 、对制造出来的样轮，进行各种性能试验和道路试验。只有当试验样轮经过充分地 试验并证实其在行驶中的表现是优秀的。此时才完成了铝合金轮毅的设计。 图1 - 3 轿车轮毂研发流程图 8 硕仁学付论文 第一章绪论 1 3 铝合金轮毂轻量化研究的方法 1 3 1 轮毂的轻量化研究方法 轮毂的轻量化是在保证轮毂整体性能不受影响甚至提高的前提下，在一定的 成本控制下，最大限度地减轻自身的质鼍。轮毂轻量化只有通过技术创新，才能 实现整体跨越。将其材料性能、结构设计、成形工艺等联合考虑，并且根据其显 著特点，计算其材料成本和性能之间的性价比。材料性能方面主要是使用密度小、 强度高的轻质材料，尽量使用密度、成形工艺性能好的有利于减少薄厚的高强度 钢铁材料。结构设计方面主要是满足使用性能的前提下，缩减局部尺寸。成形工 艺方面主要是使用相同材质的构件，改进传统成形工艺方法，并且采用先进的加 工工艺，尽大可能的发挥材料的使用性能，使结构设计有更大的减重空间。 镁( 密度1 7 4 9 e r a 3 ) 、铝( 密度2 7 3 9 e r a 3 ) 合金是现代轮毂生产应用材料 的首选。镁合金是目前世界上工程应用最轻的金属材料，凡是能够使用铝合金的， 基本上都可以用镁代替。镁合金具有高强度和高刚度，优良的阻尼减震、导热和 电磁屏蔽性能，易于回收利用，环保性能好，成为轮毂轻量化的首选材料。但是， 镁合金种类较少，抗蠕变和耐高温性能差，后处理工艺复杂，加工成本高，最为 重要的是材料价格比铝合金高。铝合金具有较好力学性能的轻质材料，应用在轮 毂产品中多为铸造铝合金。考虑到生产成本控制等因素，本课题选用铸造铝合金 为轮毂研发设计的材料1 15 l 。 通过前文叙述可以了解到，在现代轮毂工业中，轮毂的材料选定后，还可以 通过结构设计和成形工艺等方式实现轻量化，c a d c a e c a m 的方法将材料、 结构设计和采用的成形工艺综合在一起，并贯穿在设计和制造的各个环节。在整 个过程中最关键的部分是轮毂性能测试结果的预测。首先利用c a d 软件将设计 完成的轮毂建模，然后c a e 软件对轮毂进行弯曲破坏、径向破坏、冲击破坏等 三项性能进行模拟预测，判断轮毂设计方案能否进行试制和实际性能测试。若设 计无法通过性能测试时，必须根据破坏情况进行修改，再进行分析，直到预测结 果通过。若利用c a e 预测原始设计结构破坏几率较小时，则必须优化设计，再 进行分析，直到接近可接受的破坏几率为止。通过模拟测试和分析，最终达到轮 毂轻量化的要求，此时轮毂结构称为结构设计合理。结构合理设计包括结构优化 设计、结构的小型化和改进运动结构等方式。 1 3 2 有限元理论的应用 有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的数值模拟方 法。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接， 单元内部点的待求物理量可由单元节点的物理量通过选定的函数关系插值求得。 9 硕仁学位论文 第一章绪论 由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后 将各个单元方程组织在一起而形成总体代数方程组，加入边界条件即可对方程组 求解【1 6 1 1 7 1 。 有限元法的实际应用是随着电子计算机的出现而开始的。首先是t m e n r 、 c l o u g h 等人于1 9 5 6 年将钢架分析中的位移法推广到弹性力学平面问题，并用于 飞机结构的分析。他们首次给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确解答。 1 9 6 0 年c l o u g h 进一步求解了平面弹性问题，并在他的论文“平面应力分析的有 限元法? 【1 8 l 中第一次提出了“有限元法的名称，使人们更清楚地认识到有 限单元法的特性和功效。此后，不少应用数学家、物理学家和工程师分别从不同 角度对有限元法的离散理论、方法及应用进行了研究。 随着计算机的功能日益强大，有限元法解决工程实际问题强劲实力被广泛肯 定和推广，许多科研机构研制出各类有限元软件，从而进一步为有限元法的实际 应用和理论研究奠定的基础。现在，有数百种有限元软件，其中著名的有： a n s y s ，m a r c 、a d i n a 、a s k a 、s a p 、n a s t r a n 等【1 9 1 。 1 3 3 优化设计的应用 所谓优化设计就是指一种方案可以满足所有的设计要求，并且所需的支出最 小，即最优设计方案是最有效率的方案，其中有设计变量、状态变量目标函数等 数学概念1 2 0 j 。 设计变量是一组基本参数的数值来表示。此参数可以是构件长度、界面尺寸、 坐标值等几何量，也可以是质量、惯性矩、力或力矩等物理量，还可以是应力、 应变或固有频率等代表工作性能的导出量。但对于具体优化问题时，不是用优化 方法修改调整所有的基本参数。用户根据已知要求定义部分参数为定值，此数值 在设计方案中为设计常数，除此之外的基本参数，需要在优化设计中不断修改和 调整，一直处于变化状态，这些基本参数称为设计变量。优化结果的取得就是通 过改变设计变量的数值来实现的，每个设计变量都有上限和下限，定义了设计变 量的变化范围1 2 。 设计空间是所有设计方案的集合，若设计方案满足所有提出的要求，称为可 行设计，反之为不可行设计。状态变量是可行设计方案必须满足的一些设计限制 条件，即可行设计方案的约束条件。状态变量为“因变量 ，是设计变量的函数。 状态变量可能有上限和下限，也可能只存在单方面的限制瞄l 。 建立n 维变量目标函数，记作厂( x ) 。它的函数图像只能在n + l 维空间中描 述出来。为了在n 维设计空间中反映目标函数的变化情况，常采用目标函数等值 面的方法。目标函数的等值面，其数学表达方式为f ( x ) = c ( c 为一系列常数) ， 1 0 硕士学位论文 第一章绪论 代表一族n 维超曲面。 a n s y s 是集建模、结构分析、优化设计等功能于一体大型通用有限元分析软 件，因其强大的仿真分析功能受到越来越多的结构分析以及其他相关专业科研 人员的青睐。在a n s y s 中只能设定一个目标函数，并且a n s y s 程序中只能是最小 化目标函数，对于最大值问题要转化为最小值问题。 设计变量、状态变量和目标函数总称为优化变量。在a n s y s 中，此变量是由 用户定义的参数来指定的。其中，设计变量的取值要有实际意义，即要满足一定 的合理性范围的限制；设计变量的取值还要满足以其为自变量的相关状态变量的 约束条件，例如应力不超过材料许用应力、结构满足稳定性条件等。 1 4 课题的来源、内容和意义 1 4 1 课题来源 本课题是结合湖南省财政厅教育厅高校科研项目( 湘财教指【2 0 0 7 ) 3 8 号) “c a d c a m 技术在汽车轮毂模具加工中的应用研究”( 编号为0 7 d 0 0 4 ) 课题而 开展轮毂轻量化的研究工作。 1 4 2 研究内容 本课题以某厂正在研发的j n z l 3 5 0 铝合金轮毂为研究对象，利用u g 软件 对汽车铝合金轮毂进行建模，然后利用u g 和a n s y s 软件的数据转换功能，把 汽车铝合金轮毂三维模型导入a n s y s 软件内，并运用有限单元法对其结构应力、 强度分析研究。从而为设计人员进行汽车铝合金轮毂设计提供了先进的计算机设 计手段，使其能在短周期内设计出外型美观、经济使用和安全可靠的汽车铝合金 轮毂以满足市场的需求，创造出更高的经济效益。本课题对以下几个主要内容进 行了研究： ( 1 ) 将论文涉及的u g 软件和有限分析的理论作较详细的阐述，着重介绍 汽车铝合金轮毂有限元模型分析的主要依据和原理。 ( 2 ) 利用u g 软件对汽车铝合金轮毂进行几何实体建模； ( 3 ) 运用a n s y s 软件生成有限元模型，并进行有限元强度分析，生成应 力、应变云图； ( 4 ) 运用a n s y s 软件对汽车铝合金轮毂结构进行优化设计，以达到轮毂 轻量化的目的； 硕士学位论文 第一章绪论 1 4 3 研究意义 汽车工业是国民经济的支柱产业，而汽车生产工业最能代表汽车工业的