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

沈维梁-设计说明书.doc---(点击预览)

过程材料

沈维梁-题目审定表.doc---(点击预览)

沈维梁-过程管理封皮.doc---(点击预览)

沈维梁-毕业设计答辩相关材料.doc---(点击预览)

沈维梁-毕业设计任务书.docx---(点击预览)

沈维梁-开题报告.doc---(点击预览)

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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：: 本科学生毕业设计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：沈维梁指导教师：石美玉职称：教授黑龙江工程学院二一一年六月 s 011龙江工程学院本科生毕业设计 I 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。在研究了件 E 以及有限元分析软件功能及其主要特点后，着重进行了了应用铝合金车轮进行结构强度分析的具体过程。首先使用软件，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 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；模态分析黑龙江工程学院本科生毕业设计 is of s as of is an At to do as a on of is of In of AD E of of E to of 005 s in is of is of AE of is to of to of 龙江工程学院本科生毕业设计龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要 . I . 1 章绪论 . 1 题研究的目的意义 . 1 合金车轮行业现状及发展趋势 . 1 合金车轮的发展及其现状 . 1 合金车轮的发展趋势 . 3 内外研究方法 . 4 要研究内容 . 5 第 2 章车轮三维模型的建立 . 6 软件基础 . 6 轮模型的建立 . 7 轮构造、种类及装配 . 7 轮三维模型建立过程 . 9 章小结 . 15 第 3 章车轮强度静态分析 . 16 件基础 . 16 与接口创建 . 17 轮几何模型的简化 . 18 356 的材料特性 . 18 界条件的处理 . 18 荷的处理 . 19 轮弯曲疲劳试验有限元模型 . 21 力分析结果及数据分析 . 25 章小结 . 29 黑龙江工程学院本科生毕业设计第 4 章车轮的模态分析 . 30 态分析定义 . 30 态分析的步骤 . 30 果分析 . 31 考虑速度影响的自由振动计算结果 . 31 考虑速度影响的约束振动计算结果 . 35 章小结 . 40 第 5 章车轮结构的改进 . 41 轮结构改进 . 41 轮改进后的前后对比 . 41 章小结 . 55 结论 . 56 参考文献 . 57 致谢 . 58 附录 A 析程序 . 59 附轮受离心力作用析程序 . 59 附轮受弯矩作用析程序 . 59 附轮受螺栓预紧力作用析程序 . 60 附进前模型自由振动模态分析程序 . 67 附进前模型约束振动模态分析程序 . 71 附进后模型自由振动模态分析程序 . 75 附进后模型约束振动模态分析程序 . 79 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第 1 章绪论题研究的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，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。合金车轮行业现状及发展趋势合金车轮的发展及其现状长时期内，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，其中车轮黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 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 ;一种新车采用了表面为黑色的铝合金车轮 ;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%。我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，我国轿黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 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。合金车轮的发展趋势车轮规格方面，汽车的高速化迫使车轮朝 “三化 ”(扁平化、子午线化、无内胎化 )迅猛发展。国外轿车车轮己日趋大直径、宽轮辋发展的格局，原来多见的 1213小直径轮已越来越少，有逐步被淘汰的趋势，目前主流是 15上的规格，并逐步朝 1719直径宽轮辋发展，甚至己出现 2026车轮大直径车轮与轮胎组合，比小直径车轮与轮胎组合更显现代、霸气和时髦。由于直径大、轮辋宽，使轮胎与地面的接触面积更大，从而增加了汽车与地面的附着力，使汽车的操纵性能更好，提高了汽车的安全性。但是大直径、宽轮辋也会产生使轮胎磨损加快的不利影响。结构方面，基本上以整体铸造的铝合金车轮为主，除特殊场合装用二片式和三片式的复合车轮，如为了减小车轮质量，提高强度，采用锻造钢轮辋和铸造铝合金轮辐组装式工艺生产的车轮 ;或为了降低车轮噪声，提高汽车操纵稳定性在轮辐和轮辋之间加上特殊橡胶结合件等。外观方面，作为象征整车档次之一的车轮外观，在点缀整车的时尚化作用中越来越向着艺术化方向发展，多变的车轮轮辐形态和迷人的色泽越来越为人们所关注。车轮由单调的辐条式、辐板式向着带空间曲面和弧形面状态，甚至由中心对称演变成中心不对称的图案，另外对车轮与整车的匹配和色泽的协调、表面处理 (全涂亚光色、抛光轮、电镀轮、真空镀膜轮等 )要求也日益提高。材料方面，有向镁合金车轮发展的趋势，许多学者正研究使镁合金能适应大量生产的工艺和设备。镁具有质量轻 (密度铝的 2/3，铁的 1/4)、比强度大、尺寸稳定、抗变形、机械加工性能好、吸收振动性能好的特点，有利于提高整车运行速度，降低能耗，承受较高冲击载荷，此外镁在地球上储量相当丰富，占金属的第 8位，还可以从海水中无限量地提取，综合来说镁能在各方面很好的满足人类各方面的要求。但是这类铸件的试验条件非常严格和气密性要求高，成品率低，生产成本高。此外，有人在不断探索降低半凝固铸造温度的新材料途径，甚至已有人在尝试镶嵌式的中空复合轮 (即在车轮中衬嵌一种高强度的轻质骨材，让铝液填充时将骨材全部包住 )，来进一步提高轻量化效果，而且可获得比铝合金车轮更佳的比强度和弹性模量。黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 内外研究方法结构的优化设计产生于 20 世纪 60 年代，到 90 年代，许多新的概念如遗传算法、形状优化、拓扑优化等被应用到结构优化过程中，其中利用有限元方法进行优化分析是一种常规的选择。因为它不仅能处理大范围的结构类型，而且它在可选择的分析类型中是一种可利用的最通用的方法。它不只限于结构问题，也能应用到能用偏微分方程表示的任何问题中。结构优化研究历程中，出现过以直觉的满应力为设计准则的准则法和以数学规划为理论支柱的规划法。这两种方法互相融合，演变成序列近似概念和相应的序列近似规划法，在结构尺寸优化中获得很大的成功，序列二次规划就是这样一种重要方法，许多通用的结构优化软件也以此方法为基础。我国结构优化设计的研究和应用在 80 年代中后期发展起来，迄今已取得一定的成绩，部分高等院校和科研院所根据不同的条件和需要，自主开发了一批通用的结构优化软件和专用软件。例如大连理工大学、北京农业工程大学及北京航空航天大学等单位开发的多单元、多工况、多约束结构优化程序算机辅助结构优化程序系统，这些系统适用于汽车及其零部件、飞机部件、火车部件等结构的优化设计。近年来由于汽车工业的迅猛发展，对汽车各零部件的优化成为研究的热点，如车身、车架、车轴、发动机活塞、制动器等结构的优化。国内对车轮结构优化方面的研究尚少，东风汽车有限公司的翁运忠、轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的崔青玲等人对车车轮结构优化设计进行了初步研究，他们运用有限元软件两种不同形态结构的车轮进行结构强度分析通过受力状态的比较证明其中一种设计更为合理。哈尔滨工业大学的崔胜民、杨占春采用独立的优化程序和有限元程序分别进行车轮形状优化设计和仿真分析。他们在优化程序中建立起车轮优化的数学模型，以控制辐板形状的弧段半径、弧段圆心角等参数为设计参数，以辐板弧面长度最小为优化目标并进行优化，把优化结果通过接口程序输入有限元程序中进行网格的重新划分和应力分析计算。通过优化前后有限元分析结果比较，优化后结构受力情况有了明显的改善。军事交通学院的王立辉和唐山学院的齐铁力等人采用商业软件基本工具，在完成车轮结构强度分析前在块中进行车轮结构的尺寸优化。他们以轮辋和轮辐的厚度为设计变量，以结构总体质量最轻为优化目标进行优化。结果表明优化后结构应力接近于材料的强度极限，材料性能得到充分利用，结构重量有所降低。国外在车轮结构优化方面有所研究的主要是土耳其的他研究车轮冲击试验工况下结构的优化，他以关键节点的位移量为设计变量，通过给定设计变量的变黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 化范围及变化步长，分别进行计算，观察结构应力随设计变量变化而变化的情况，利用分析结果指导设计，保证车轮结构的安全性 1 。要研究内容本文主要对车轮造型设计及其改进设计展开论述，并运用有限元法对车轮弯曲疲劳试验进行仿真分析和车轮的模态分析，研究车轮结构在螺栓预紧力、弯矩及离心力作用下结构受力情况和车轮自由振动和约束振动的固有频率，具体内容如下 : （ 1）用 e 软件进行车轮三维模型的建立。（ 2）对车轮结构弯曲疲劳试验的进行静力分析，研究试验工况下车轮结构应力分布规律及螺栓预紧力、旋转离心力和试验弯矩三种载荷对车轮结构强度的影响。（ 3）对车轮进行模态分析，分析车轮的固有频率，研究车轮的是否与发动机产生共振。（ 4）改进车轮的三维模型，对改进后车轮进行静力分析和模态分析，并与改进前的车轮模型进行对比。黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 第 2 章车轮三维模型的建立软件基础作软件是美国参数技术公司（下的体化的三维软件。件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，现今主流的件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。 1 参数化设计，相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。 2 基于特征建模是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 3 单一数据库（全相关）建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜 2 。轮模型的建立轮构造、种类及装配 1、车轮构造车轮与轮胎是汽车行驶系统中的重要部件 ,通过车轮与轮胎直接与地面接触 ,在道路上行驶。其主要功用是：支撑整车；缓和由路面传来的冲击力；保证轮胎同路面间良好的附着作用，提高汽车的动力性、制动性和通过性；汽车转弯行驶时产生平衡离心力的侧抗力，在保证汽车正常转向行驶的同时，通过车轮产生的自动回正力矩，使汽车保持直线行驶方向。车轮为固定轮胎内缘、支承轮胎并与轮胎共同承受整车负荷的刚性轮子。车轮通常由轮毂、轮辋以及连接这两元件的轮辐所组成。轮毂通过滚动轴承支承在车桥或转向节轴颈上。轮辋也叫轮圈，用来安装轮胎。轮辐有辐板式和辐条式两种。其构造如图表示。图体式车轮构造 3 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 表体式车轮各部分名称 3 1 轮辋宽度 10 螺栓孔节圆直径 2 轮辋名义直径 11 螺栓孔直径 3 轮缘 12 轮辐安装面 4 胎圈座 13 安装面直径 5 凸峰 14 后距 6 槽底 15 轮辐 7 气门孔 16 轮辋 8 偏距 17 轮辋中心线 9 中心孔 18 2、车轮的种类按轮辋和轮辐结合形式的不同，车轮可分为如下结构，其代表型结构如下：（ 1）整体式：轮辐和轮辋是由一个整体组成的，如图示。（ 2）组合式：由 2 个以上的零件组合而成的车轮，其组成的零件可以分开，按其组合形式可分为三类：两片式车轮：由轮辋和轮辐结合起来的结构，如图三片式车轮：由两个轮辋零件和一个轮辐结合起来的结构，如图辐条式车轮：轮辋与中央轮盘部件，通过很多辐条实现连结的车轮结构。图体式图片式黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 图片式 3、车轮的基本装配知识车轮的有关装配主要有以下的几种装配情况，如图表示。图轮装配关系表轮装配关系 1 车轮轮辋与轮胎之间的装配 2 车轮与装饰钉之间的装配 3 车轮与刹车钳之间的装配 4 车轮安装面与车轴之间的装配 5 车轮螺栓孔与螺母之间的装配 6 车轮螺栓孔与车轴之间的装配 7 车轮与装饰盖之间的装配 8 车轮中心孔与车轴之间的装配 9 车轮气门孔与气门嘴之间的装配 10 车轮与平衡块之间的装配轮三维模型建立过程 1、轮辋三维模型的创建黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 轮辋与轮胎结合部分的尺寸由国标（ 3487定。常见的形式主要有深槽轮辋和平底轮辋，此外，还有对开式轮辋和半深槽轮辋等。本设计采用的轮辋轮廓是 5深槽轮辋 J 型轮廓。轮辋规格为 6J15。轮辋标定直径为其轮廓和尺寸如图表示。图辋 J 型轮廓 (用于直径代号 1426) 4 表辋 J 型轮廓尺寸 4 单位为毫米轮辋轮廓 A L(量规 ) 213 J 214 J 215 J ro/e 建模过程如下：（ 1）进入 e 草绘，进行轮辋轮廓草绘如图示。黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 图辋轮廓草绘（ 2）对轮辋轮廓进行完善草绘如图示。图善轮辋轮廓草绘（ 3）运用旋转命令，建立轮辋三维模型如图示。黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 图旋转建立轮辋三维模型 2、轮辐三维模型的创建轮辐的造型要兼顾与轮辋的配合，装车空间，强度，美观等。本设计采用扫描混合建立轮辐的模型。（ 1）草绘扫描轨迹如图示。图绘扫描轨迹（ 2）选择扫描混合指令，草绘截面如图示。黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 图绘截面 a 图绘截面 b （ 3）完全扫描混合，建立轮辐模型如图示。黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 图成扫描混合（ 4）选取阵列，建立其他轮辐模型如图示。图阵列建立其他轮辐模型黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 （ 5）对轮辐进行修饰，建立安装盘，螺栓孔，气门嘴等，完成车轮模型建立如图示。图成车轮模型建立章小结本章研究了软件的组成及功能和车轮结构、种类及装配。按照轮辋的国家标准 34872005，根据本设计中车轮的具体型号、参数，运用 e 进行车轮三维模型的建立。阐述了使用软件进行车轮造型设计的具体流程。黑龙江工程学院本科生毕业设计 16 第 3 章车轮强度静态分析件基础件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国发，它能与多数件接口，实现数据的共享和交换，如 I ，是现代产品设计中的高级具之一。技术种类有很多，其中包括有限元法 ( 边界元法 ( 有限差法 ( 。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 P， 5 。黑龙江工程学院本科生毕业设计 17 与接口创建通过对 e 与口的创建可以很好的将 e 软件与件连接起来，避免了用其他方式将 e 模型导入是出现的一系列问题。点击开始所有程序 AD 图示，在跳出的对话框中上勾，选择右边的图示。点击出现的对话框中输入 e 的启动文件，如图示。点击出现的对话框中，点击成设置。图置窗口黑龙江工程学院本科生毕业设计 18 图开 e 软件，在其主页面菜单栏中会显示表示接口创建成功。轮几何模型的简化为了节省仿真计算时间和计算量，将车轮模型导入行分析前应该对车轮模型进行简化，去掉对受力影响不大的装修圆角，槽，气门孔等，以避免计算时间过长。 356 的材料特性车轮材料为相当于国内的是铝硅镁系列三元合金。铝合金着良好的铸造性能，流动性高，无热裂倾向，线收缩小，气密性高，适合于车轮如此复杂结构的成型；同时它也具有相当高的耐腐蚀性且可经过热处理强化，合金淬火后有自然时效能力，因而具有较高的强度和塑性，满足车轮高强度和刚度的性能要求。界条件的处理合理确定有限元模型的边界条件是成功进行有限元分析的基本要求。必须在保证消除刚体位移的前提下，尽可能使约束符合实际情况。通常建模对象的边界条件是明确的，根据分析对象的几何模型边界条件可以很容易确定其力学的边界位置和边界条件。由车轮动态弯曲疲劳试验设备及其原理图 ,如图见，车轮轮缘通过夹具固定在试验旋转台上，而车轮毂部的五个紧固使车轮安装盘与加载轴紧密相连。因此车轮黑龙江工程学院本科生毕业设计 19 轮缘的三个平移自由度，和两个旋转自由度都受到约束，只允许绕车轮中心轴的转动自由度存在。图轮动态弯曲疲劳试验装置示意图荷的处理本设计中选择的参考车辆为宝来主要参数如下：最大功率： 74大功率转速： 6000r/大扭矩： 145N m，整备质量：1305胎规格： 195/65辋规格： 6J 15，偏距： +38， 5H 100。试验中车轮所受到应力有弯曲疲劳试验工况下产生的结构应力和车轮在制造过程(如铸造、机加工、热处理等 )中产生的残余应力。车轮铸造中往往会产生疏松、针孔等缺陷，它们在一定程度上影响了材料的属性及其疲劳强度，机加工过程的进刀量和进刀速度等工艺也会在车轮上留下残余应力，热处理过程有着消除残余应力的作用，但是这些残余应力受众多因素影响，难以在有限元仿真中进行定量分析，因此我们只考虑试验工况下车轮结构应力的作用。在动态弯曲疲劳试验工况下，车轮承受载荷来源有三个，轮毂紧固螺栓产生的预紧力、车轮高速旋转时产生的离心力和试验弯矩载荷。这三个载荷可以通过相关的设计参数及试验参数求得。表别为车轮的设计参数及试验参数。表轮的设计参数产品规格设计载荷偏距 d 安全系数 S 6J15 8 黑龙江工程学院本科生毕业设计 20 1)试验弯矩车轮所受的弯矩 M，其大小由式 3定： )( （式中： R 一静负荷半径。车轮或汽车制造厂规定的该车轮配用的最大轮胎静负荷半径，单位 m；一轮胎与地面之间的设定摩擦系数； d 一车轮内偏距或外偏距（内偏距为正，外偏矩为负），单位 m； W 一车轮或汽车制造厂规定的车轮上的最大垂直静负荷或车轮的额定负荷，单位 N； S 一强化试验系数。本课题所研究的车轮参数为： R=W =d=38， S=2 代人数值可求得： M=1378Nm 最小循环次数也可根据车轮的尺寸及安全系数查 2530 得出，车轮试验参数见表示。表轮的试验参数产品规格试验弯矩 Nm 试验转速纹扭矩 Nm 要求寿命 h 6J15 1378 1700 110 200000 在有限元模型中，载荷是加在加载轴端，加载轴长度 L= （施加载荷 : 求得： ) 螺栓预紧力在试验过程中车轮通过五个螺栓固定。螺栓规格为验要求螺栓扭矩达到 110据机械设计原理，普通螺纹力矩： )t a n (2 21 vQ （黑龙江工程学院本科生毕业设计 21 螺栓轴向载荷： )t a n (221vQ (螺纹中径 2d ： 4 9 (升角： 2 (当量摩擦角： c o sa r c t a na r c t a n ff ( 其中，普通螺纹的牙型斜角为 30，其摩擦系数 f 为代人数值得： N 3) 离心力试验中，车轮以恒定的转速 1700动。车轮结构各点的应力值为上述三个载荷单独作用下的合力，可描述为： Vf o r c ec o r n e r i n e n t r i f u g r e t e n s i o nb o l t 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

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