基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计【1张图/18700字】【优秀机械毕业设计论文】

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基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计【】【优秀机械毕业设计论文】.rar

设计图纸

A0-车轮.dwg

设计说明书

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过程材料

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关键词：: 基于有限元分析轿车铝合金车轮设计优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份。90页。18700字左右。
任务书一份。
开题报告一份。

图纸共1张，如下所示
A0-车轮.dwg

摘要

轻量化是世界汽车工业发展的主要趋势，轻质材料铝及其合金等的使用是一种有效的途径。目前，大部分汽车车轮已使用铝及其合金做作为材料，利用现代设计方法，在此基础上进一步实现车轮的轻量化则是本文的研究所在。
在研究了CAD软件Pro /E以及有限元分析软件ANSYS的功能及其主要特点后，着重进行了了应用ANSYS对铝合金车轮进行结构强度分析的具体过程。
首先使用Pro/E软件，按照轮辋的国家标准，建构车轮的实体模型;然后把模型导入ANSYS，按2005年中国汽车行业标准中的汽车轻合金车轮的性能要求和实验方法所规定的疲劳实验要求施加荷载;然后进行强度分析和模态分析，分析结果表明，车轮的最大应力远小于铝合金的许用应力，车轮的固有频率满足要求，存在进一步改进的可能和必要。最后，改进车轮模型，改进结果表明，车轮的重量有了显著的减少。
利用CAE分析技术有助于提高汽车车轮的设计水平、缩短设计周期、减少开发成本。该方法具有普遍性，适用于指导任何其言型号车轮的设计和分析。

关键词：铝合金车轮；结构设计；有限元分析；强度分析；模态分析

ABSTRACT
Lightweight is the main trends of the world's automotive industry, lightweight materials such as the use of aluminum and its alloys is an effective way. At present, most automotive aluminum and its alloy wheels have been used to do as a material, using modern design methods, based on the further realization of this lightweight wheels is the Institute of this article.
In the study of the CAD software Pro / E and ANSYS finite element analysis software functions and the main characteristics, the Emphasis was the application of ANSYS, the structural strength of aluminum alloy wheel analysis of the specific process.
First ，uses the Pro / E software, according to the rim of the national standards, building wheel solid model; then the model into ANSYS, by 2005 China's auto industry standard in automotive light-alloy wheels and performance requirements and test methods under the fatigue test requirements defined load and then the strength analysis and the results showed that the wheel is much less than the maximum stress allowable stress of aluminum alloy, there is further improvement possible and necessary. Then, the improved wheel models, improved results show that the weight of the wheels have been significantly reduced.
The results show that the use of CAE analysis technology helps improve the design of automobile wheel level, shorten design cycles, reduce development costs. The method is universal, applicable to any of his words and models to guide the design and analysis of the wheel.

Key words: Aluminum Alloy Wheels; Structural Design; Finite Element Analysis; Strength Analysis; Modal Analysis

摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题研究的目的意义 1
1.2铝合金车轮行业现状及发展趋势 1
1.2.1铝合金车轮的发展及其现状 1
1.2.2铝合金车轮的发展趋势 3
1.3国内外研究方法 4
1.4主要研究内容 5
第2章车轮三维模型的建立 6
2.1 Pro/E软件基础 6
2.2车轮Pro/E模型的建立 7
2.2.1车轮构造、种类及装配 7
2.2.2 车轮三维模型建立过程 9
2.3 本章小结 15
第 3 章车轮强度静态分析 16
3.1 ANSYS软件基础 16
3.2 Pro/E与ANSYS的接口创建 17
3.3车轮几何模型的简化 18
3.4 A356的材料特性 18
3.5边界条件的处理 18
3.6载荷的处理 19
3.7车轮弯曲疲劳试验有限元模型 21
3.8静力分析结果及数据分析 25
3.9本章小结 29
第 4 章车轮的模态分析 30
4.1 模态分析定义 30
4.2 模态分析的步骤 30
4.3 结果分析 31
4.3.1 不考虑速度影响的自由振动计算结果 31
4.3.2 不考虑速度影响的约束振动计算结果 35
4.4 本章小结 40
第5章车轮结构的改进 41
5.1车轮结构改进 41
5.2车轮改进后的前后对比 41
5.3本章小结 54
结论 55
参考文献 56
致谢 57
附录A ANSYS分析程序 58
附A1车轮受离心力作用ANSYS分析程序 58
附A2车轮受弯矩作用ANSYS分析程序 58
附A3车轮受螺栓预紧力作用ANSYS分析程序 59
附A4改进前模型自由振动模态分析程序 66
附A5改进前模型约束振动模态分析程序 70
附A6改进后模型自由振动模态分析程序 74
附A7改进后模型约束振动模态分析程序 78

题目名称基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计
一、设计（论文）目的、意义
实现汽车轻量化，提高燃油经济性，是汽车节能的最有效途径之一。汽车减轻自重，不仅可减小汽车的行驶阻力，降低油耗，还有利于改善汽车的转向、加速、制动等性能，有利于降低噪声、减轻振动，为实现大功率创造条件。同时轻量化带来的低油耗，使汽车的废气排放减少，对环境的污染程度也减小。汽车轻量化有两大途径：一是采用轻量化材料，例如采用超高强度钢板，铝合金、镁合金等轻质材料代替传统的钢铁材料；一是优化、更改汽车的结构，缩小零部件尺寸，最大限度地减轻零部件的质量。
全球汽车工业越来越注重汽车的轻量化，表现在铝及其合金在汽车材料中所占的比重越来越大。铝的比重是铁的1/3，具有良好的导热、导电性能，其机械加工性能比铁高4.5倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性；铝的铸造工业性能也比较好，可以获得薄壁复杂铸件。现代轿车日益广泛使用铝材，已经成为一种趋势，例如轿车轮圈就是一个最明显的例子，80年代初，大部分轿车还是使用钢质轮圈，而今绝大部分轿车都是用铝合金轮圈了。本课题借助CAD软件Pro/E，有限元分析软件ANSYS作为虚拟样机工具对给定的铝合金车轮进行强度分析，在保证强度和可靠性的前提下，对车轮进行优化，以进一步减少车轮质量，降低成本。

二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）
设计内容：
1.轿车铝合金车轮的初步设计；
2.Pro/E建立车轮三维模型；
3.有限元进行车轮强度静态分析；
4.验证结果的可行性，改进设计，完成设计。
技术要求：
1.以轿车铝合金车轮为设计对象；
2.要求：有限元模型、载荷建立正确；
3.生产纲领：成批生产。

三、设计完成后应提交的成果
车轮有限元分析程序一份，车轮二维工程图一张，设计说明书2万字以上一份。
四、设计进度安排
（1）知识准备、调研、收集资料、完成开题报告第1～2周（2.28～3.11）
（2）整理资料、提出问题、撰写设计说明书草稿、熟悉Pro/E、ANSYS软件的使用第3～5周（3.14～4.1）
（3）理论联系实际分析问题、解决问题，使用Pro/E、ANSYS软件完成铝合金车轮的三维设计、进行强度分析等部分设计内容，中期检查第6～8周（4.4～4.22）
（4）改进完成设计，改进完成设计说明书，指导教师审核，学生修改第9～12周(4.25～5.20)
（5）评阅教师评阅、学生修改第13周（5.23～5.27）
（6）毕业设计预答辩第14周（5.30～6.3）
（7）毕业设计修改第15～16周（6.6～6.17）
（8）毕业设计答辩第17周（6.20～6.24）

五、主要参考资料
1.许路萍，邵光杰，李麟，张恒华.汽车轻量化用金属材料及其发展动态.上海金属
2.李明惠，卢晓春.CAD/CAE/CAM一体化技术在汽车轻量化中的应用.公路与汽运
3.两本以上Pro/E、ANSYS相关书籍；
4.汽车设计、汽车构造书籍；
5.机械制图、机械设计、互换性与技术测量相关书籍；
6.轿车铝合金车轮设计资料
7.网络资源，超星数字图书馆
8.近几年相关专业CNKI网络期刊等

基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计[汽车]

内容简介：: 毕业设计开题报告设计题目 :基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计院系名称 : 汽车与交通工程学院专业班级 : 车辆工程 07 学生姓名 : 沈维梁导师姓名 : 石美玉开题时间 : 2011 年 3 月 11 日指导委员会审查意见：签字：年月日开题报告撰写要求一、“开题报告”参考提纲 1. 课题研究目的和意义； 2. 文献综述（课题研究现状及分析）； 3. 基本内容、拟解决的主要问题； 4. 技术路线或研究方法； 5. 进度安排； 6. 主要参考文献。二、“开题报告”撰写规范请参照黑龙江工程学院本科生毕业设计说明书及毕业论文撰写规范要求。字数应在 4000 字以上，文字要精练通顺，条理分明，文字图表要工整清楚。毕业设计开题报告学生姓名沈维梁系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程 07 指导教师姓名石美玉职称教授从事专业车辆工程、交通工程是否外聘是否题目名称基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计一、课题研究现状、选题目的和意义 1、课题研究现状 1）铝合金车轮的起源，发展长时期内，钢制车轮在车轮制造业中占主导地位，随着科学技术的发展与进步，对车辆安全、环保、节能的要求日趋严格，铝合金车轮以其美观、质轻、节能、散热好、耐腐蚀、加工性能好等特点，逐步取代钢制车轮。铝合金车轮的出现到如今渐渐替代钢制车轮是一个漫长的发展阶段。在20 世纪初，一些热衷于赛车的爱好者，为了能使车辆更轻以提高赛车速度，想方设法对车辆各零部件作轻量化的改进，其中车轮是重点减轻的主要对象。 1923 年，司大胆地将砂型铸造的铝合金车轮装上了赛车，加世纪 30 年代联邦德国汽车联合会、拜尔 (动机公司及戴姆勒一奔驰汽车公司，正式将钢制辐条式轮毂与铝制扎制轮辋相结合的车轮装上汽车，为铝合金车轮的发展奠定了基础。二次世界大战和世界性的能源危机大大刺激了汽车商的轻量化需求。 1945 年汽车厂商纷纷开展批量生产铝合金车轮的研究，重要集中在铝合金车轮的材质和成形工艺方面，但由于车轮的特殊安全要求，仍未能实施批量生产。直至 20 世纪 50 年代末，联邦德国还只能少量地生产铝合金车轮。 1970 年末，拜尔发动机公司率先将铸造铝合金车轮作为特殊部件装到了 2002 型轿车上， 1972 年又在双门小轿车上成批装上了铸造铝合金车轮，开始了铸造铝合金车轮批量用于轿车的新局面。日本铝合金车轮工业是在 1970 年后至 1984 年之间快速发展起来的，在 1984 年的年产量达 640万件。意大利在 1979 年曾生产 150 万件。到 1980 年，西欧共生产 700 多万件铝合金车轮 (其中 50%是铸造铝合金车轮 )，并以年产 6%7%的速度递增。 1988 年，美国生产的车辆中，铝合金车轮已作为好几种车型的系列部件， E 车型的更是采用了涂装彩色条带状的铝合金车轮。通用汽车公司生产的和另外两种型也采用了铝合金车轮 ;也把花边式样的铝合金车轮装了上去。同年，福特公司在车上也装上了铝合金车轮，并把铝合金车轮定为公司系列的标准件。 20 世纪 80 年代初，美国原装轿车铝合金车轮装车率大约 4%一 5%，如今已超过 40%。而日本目前轿车铝合金车轮装车率超过 45%，欧洲国家超过 50%。国铝合金车轮工业起步较晚，最早使用铝合金车轮是在 20 世纪 80 年代初，国营洪都机械厂将砂型铸造的铝合金车轮装在边三轮摩托车上，但是数量很少，未形成气候。到加世纪 80 年代末，我国出现了第一个具有现代规模的戴卡轮毂制造有限公司，其规模和设备都进入了世界先进行列。加世纪 90 年代初，在广东出现了既生产汽车，又生产摩托车铝合金车轮的南海中南铝合金轮毂有限公司，这两个生产厂的生产设备都已达到国际水平。但这段时期，因国内汽车和摩托车对铝合金车轮的装车欲望还很低，钢圈仍占据着绝对统治市场的地位。随着我国公路设施的飞速发展，这两个企业也分别在汽车、摩托车行业中积极地宣传，铝合金车轮开始以极其迅猛之势在全国得到推广，生产铝合金车轮的工厂也像雨后春笋般出现，蔓延至全国。 2002 年，我国轿车的铝合金车轮装车率已接近 45%;摩托车的铝合金车轮装车率已逾 50%。综上所述，不难看出，铝合金车轮是现代车辆轻量化、高速化、现代化的必然产物。 2）铝合金车轮的制造工艺目前，整体式铝合金车轮的成形工艺有铸造、锻造两大方法。全世界 95%的铝合金车轮采用铸造工艺，铸造又可细分为低压铸造、重力铸造和挤压铸造。国外铝合金车轮的制造方法以低压铸造为主，大概占全部产量的 80%以上，少数企业采用锻造法、焊接组装法生产。最近，国外出现无气孔压铸新工艺 (充氧压铸法 )，日本轻金属株式会社、美国铸锻公司已开始应用于生产。国内铝合金车轮制造普遍采用成本较低的低压铸造工艺，约占全部产量的 80%以上，其次是采用最简便的重力铸造工艺，约占其全部产量的 20%不到。上海金合利采用挤压铸造工艺，其产品质量都有提高，取得较好的效果。在铝合金车轮加工方面，一般采用数控机床和高精度自动化柔性加工系统 ;采用自动化涂装工艺，喷粉技术在表面涂装方面渐有替代喷漆之势，少数企业还采用先进的真空电镀涂装技术 ;在热处理试验检测方面，基本都接近或达到国外先进水平。 3）基于术的设计方法国外企业对术的应用已经较为成熟，在汽车领域中有限元技术应用也较为广泛。如采用术进行产品的三维设计，采用术计算汽车零部件的应力和变形、进行结构强度和刚度的分析 ;采用多体动力学方法进行汽车整车操纵稳定性和行驶平稳性的动态仿真分析 ;采用有限元法进行汽车碰撞分析、汽车噪声分析、结构疲劳分析、振动模态分析等。国内术运用也较为普遍，许多汽车整车及相关零部件制造企业早已使用计算机设计软件作为产品开发的主要工具，实现三维设计。而术对设计人员的知识水平要求较高，因此应用范围有所局限，较多运用于高校及学术机构的研究，在企业中涉足较少。但近年来，随着国内市场于国际接轨，对企业产品开发技术要求日渐提高，术也慢慢在企业中发展起来，不少大型生产企业已引进大型有限元软件并培训起自己的技术人员。实际应用表明，有限元技术的应用给企业带来了许多实际效益。它使设计人员能在产品的设计阶段进行模拟仿真，及时发现设计中潜在并予以修改，缩短了产品的开发周期，降低成本，提高产品质量和可靠性，因此在汽车及其零部件的开发过程中己占有无可替代的地位。术的提高对增强我国汽车工业自主研发能力和企业的国际竞争力有着重要的意义。在术中，有限单元法是其中运用最成功、最广泛的一种数值方法。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用。它首先在连续体力学领域态特性分析中应用的一种有效数值分析方法，随后广泛的应用于热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元技术的日益成熟，使之应用领域越发的广泛，至今已遍及机械、土木、汽车、航空航天、材料、电子等工程领域。有限元方法的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想成许多称为有限数目的规则单元组合体，将求解域看成许多称为有限元的小的互相连接的子域组成，对每个单元假定一个合适的近似解，推导求解整个域的满足条件的解，从而得到问题的解。目前，我国工程领域运用较多的大型分析软件有。 2、课题研究目的和意义实现汽车轻量化，提高燃油经济性，是汽车节能的最有效途径之一。汽车减轻自重，不仅可减小汽车的行驶阻力，降低油耗，还有利于改善汽车的转向、加速、制动等性能，有利于降低噪声、减轻振动，为实现大功率创造条件。同时轻量化带来的低油耗，使汽车的废气排放减少，对环境的污染程度也减小。汽车轻量化有两大途径：一是采用轻量化材料，例如采用超高强度钢板，铝合金、镁合金等轻质材料代替传统的钢铁材料；一是优化、更改汽车的结构，缩小零部件尺寸，最大限度地减轻零部件的质量。全球汽车工业越来越注重汽车的轻量化，表现在铝及其合金在汽车材料中所占的比重越来越大。铝的比重是铁的 1/3，具有良好的导热、导电性能，其机械加工性能比铁高，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性；铝的铸造工业性能也比较好，可以获得薄壁复杂铸件。现代轿车日益广泛使用铝材，已经成为一种趋势，例如轿车轮圈就是一个最明显的例子， 80 年代初，大部分轿车还是使用钢质轮圈，而今绝大部分轿车都是用铝合金轮圈了。本课题借助件，有限元分析软件为虚拟样机工具对给定的铝合金车轮进行强度分析，在保证强度和可靠性的前提下，对车轮进行优化，以进一步减少车轮质量，降低成本。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题主要内容 1)轿车铝合金车轮的初步设计； 2) 建立车轮三维模型； 3)有限元进行车轮强度静态分析； 4)验证结果的可行性，改进设计，完成设计。 1)通过查阅车轮的相关设计标准，初步确定车轮的参数、尺寸。 2)通过对件的学习，掌握使用件进行有限元分析的方法。对车轮模型进行强度静态分析。 3)根据分析结果检验车轮模型强度是否满足要求，改进设计。三、技术路线（研究方法）四、进度安排（ 1）知识准备、调研、收集资料、完成开题报告第 1 2 周（（ 2）整理资料、提出问题、撰写设计说明书草稿、熟悉、件的使用第 3 5周（（ 3）理论联系实际分析问题、解决问题，使用、件完成铝合金车轮的三维设计、进行强度分析等部分设计内容，中期检查第 6 8 周（（ 4）改进完成设计，改进完成设计说明书，指导教师审核，学生修改第 9 12 周 (（ 5）评阅教师评阅、学生修改第 13 周（（ 6）毕业设计预答辩第 14 周（车型选择车轮设计轮辋设计轮辐设计用建立三维模型用行强度静态分析验证结果可行性改进设计完成设计是否满足要求（ 7）毕业设计修改第 15 16 周（（ 8）毕业设计答辩第 17 周（五、参考文献 1赵玉涛 M械工业出版社， 2004 2詹友刚 M械工业出版社， 3刘惟信北京：清华大学出版社 M， 4刘坤主编；吴磊编著 M防工业出版社， 5博弈创作室编著基础教程与实例详解 M国水利水电出版社， 2003 6余志生 M械工业出版社， 7王霄锋，王波 J2002， 24(1):066 069 8赵震伟，王波 J2000(5):

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