开题报告（基于UG的“火轮”汽车轮毂三维建模及有限元应力分析）.doc

本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。华侨大学学士学位论文开题报告学生姓名 罗云 指导教师 郝艳华 学 院 机电及自动化学院 学科专业 机械工程及自动化 专业方向 机械制造及自动化 学位级别 工学学士 开题日期 2012.03.01 二一二年三月一日制表拟撰写学位论文的题目基于UG的“火轮”汽车轮毂三维建模及有限元应力分析 支持学位论文研究的科研项目学位论文是否保密1.不保密（ ）导师签字2.保 密（ ） 密级：（ ）、机密（ ）、秘密（ ）一、本课题研究的意义及发展趋势1.1研究意义 本课题研究从汽车轮毂的基本特征入手，应用UG三维软件对从工业设计美学【1】角度设计出的有中国元素的汽车车轮建模，用有限元法完成强度分析。通过本课题的研究，熟练掌握并应用UG三维软件，综合应用专业知识能够独立解决实际的工程问题，作为我们从高校迈向社会重要的一步。目前世界汽车市场上，欧美、日韩车系独领风骚，工业起步早，汽车以其优异的性能与独特的设计风格领跑全球汽车市场，从而抑制了其他国家车辆行业的发展，就我国而言，工业起步晚、自主研发能力差，汽车制造业急于求成，过度依赖国外技术，直接导致我国汽车行业停滞不前，不能铸就我国的民族品牌，这需要我们独立自主的研究本国特色的汽车，争取国产品牌跻身世界汽车产业前列，在车辆工业的道路上我们有很长的路要走。汽车车轮设计是汽车制造中一个重点，车轮不仅要满足承重、通风（制动器散热）的需要，而且车轮造型直接关系着汽车车身设计的品位和档次。如何进行车轮的造型设计、设计出有风格特色和审美情趣的车轮已成为设计者们最关心的问题，眼下越来越多的新技术正逐渐被应用到车轮的设计和开发上来。本课题通过对融汇中国传统文化要素的汽车轮毂建模，并用有限元分析技术使其不仅做到结构轻量化同时又满足人们对审美的需求，为汽车轮毂的结构优化设计提供好的方法。1.2国内外发展趋势 最早的铝合金车轮诞生是一些热衷于赛车的爱好者，为了能使车辆更轻以提高赛车的速度，便想方设法对车辆各零部件作 轻量化的设计，其中车轮是重点减轻的主要对象。20世纪30年代联邦德国汽车联合会、拜尔(BMW)发动机公司及戴姆勒一奔驰汽车公司，正式将钢制辐条式轮毅与铝质轧制轮辆相结合的车轮装上了汽车，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，主要集中在铝合金车轮材质和成形工艺方面，但由于车轮的特殊安全要求，仍末能实施批量生产。1970年后，拜尔发动机公司首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，开创了铸造铝合金车轮批量用于轿车的新局面。 我国的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，国营洪都机械厂用砂型铸造生产铝合金车轮，起初用在三轮摩托车上，但数量很少，也末形成气候。到20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，其规模和设备都步入了世界先进行列。紧接着又出现了南海中南铝合金轮载有限公司，这两个生产厂的生产装备部达到国际水平。当时国内汽车和摩托车对铝合金车轮的装车欲望还很低，钢圈还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，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，在全国迅速蔓延。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。国外车轮规格趋向大直径、高强度、轻量化、更美观，直径大、轮辋宽使得轮胎与地面接触面积增大从而增大了与地面的附着力，使汽车操纵性更好，安全性又进一步提高。大直径铝合金车轮是现代车辆 轻量化、高速化、现代化的必然产物。结构上除特殊场合装用二片式和三片式的复合车轮外，整体铸造的铝合金车轮已成为当今世界整个轻合金车轮的主流。锻造铝合金汽车轮毂自2003年在戴卡公司上线以来，目前在我国已崭露头角。以铸锻结合及液锻方式生产汽车轮毂在我国尚属空白。铸造铝轮毂由于起步较早，目前生产工艺已经相当成熟，轮毂所能承受的载荷也大幅提高，由于能源问题汽车的轻量化对耗油量的影响又不容忽视车轮作为汽车的重要部件，能否减重也是汽车制造业必须要考虑的。锻造轮毂由于具有很高的比强度，能够在较轻的自重下承载很高的载荷，其安全性更高。此外，锻造轮毂的高强度、高载荷的特性，更适合于重载卡车和豪华大巴车。而将锻造铝合金轮毂应用于重载卡车和豪华大巴在国外也仅仅处于起步推广阶段，在国内来看基本上还是一片空白。虽然铸造轮毂具有很多优势但毕竟受工艺条件所限，很难在载重量和自身重量上继续突破。而锻造轮毂虽然具有很好的强度和安全性，但是由于受工艺条件所限其材料利用率较低(与铸造相比)、模具制造费高(多套模具生产一个轮子)、原辅材料投入较多等等使其生产成本较高。铸锻结合或液体模锻则刚好弥补了铸造与锻造的不足采用铸锻结合或液体模锻工艺所生产出来的产品，不仅能够实现与铸造产品完全相同的复杂造型，同时对产品的机械性能又有大幅提高。对于工艺复杂的轮型可以采用铸锻结合或液体模锻的方式。铸锻结合和液体模锻在西方少数发达国家已经有所运用，我国尚属空白，因此具有良好地发展空间。作为象征整车档次之一的车轮外观，在点缀整车的时装化作用中越来越向着 艺术化方向发展，多变且时肇的铝合金车轮轮辐形态和迷人的色泽成了抢占市场的主要手段之一。传统单调的“辐条式”演变成了 辐板式；平面的辐板变成了带空间曲面和弧形面状态，甚至由中心对称演变至不对称艺术图案，以增加模仿制造难度，提高竞争力。对于车轮与整车的匹配和色泽的协调，通过表面处理获取与众不同的效果来竞争币场 (如全涂装亚光色、抛光轮、电镀轮、真空镀膜轮等)。对此，欧洲和亚洲因文化差别和不同的审美观点，形成了千姿百态的世界汽车铝合金车轮市场。二、论文的研究目标、方案 2.1研究目标（1）学习和掌握UG软件的3D建模、有限元分析功能。（2）针对实际工程结构，完成其3D几何建模、网格划分、强度分析，熟悉UG软件相关功能。（3）综合运用所学专业知识，独立完成工程结构件的强度分析。 2.2研究内容（1）主要内容 针对火轮汽车轮毂，利用UG软件，完成其3D几何建模、网格划分、强度分析。（2）具体要求 完成相关资料查找和5000字（汉字）的英语文献的翻译工作。并提交相应译文一篇。 论文中应包括轮毂模型的实体图、有限元网格图、应力云图、变形图。 论文中应包括轮毂约束边界模型图。论文中应包括对计算结果的分析。提交纸制毕业论文，英语文献译文，所有文件以及分析模型的电子文档各一份。按照毕业设计论文写作规范进行毕业论文写作和格式排版。 2.3拟采取的技术路线2.3.1研究路线本课题应用UG软件对具有“中国风”特色的“火轮”汽车轮毂三维建模，建立有限元模型，并进行强度分析。2.3.2研究方法（1）车轮模型建立（2）车轮结构应力场仿真本课题主要根据车轮轮毂的造型设计，及车轮轮毂的结构轻量化问题，对车轮结构进行应力场仿真，采用三维实体有限元模型，着重解决高应力区的圆角等部位网格质量对车轮整体的影响。车轮性能考核通常采用径向疲劳和弯曲疲劳试验，在对车轮轻量化设计研究中，载荷工况拟选取这两种工况。 2.4拟解决关键问题 如何实现外观创意造型且保证强度。本课题造型设计重点在于突出产品的创意，在造型方面中国元素无疑是设计亮点，感官视觉效果，属于外在设计。结构轻量化设计是在实现其功能并保证产品的安全性（满足强度要求）的前提下，改变外观造型，使其重量最轻，属于内在设计。轮毂模型为了表达出独特的设计风格，又需要考虑到整体轻量化设计，基础是要保证强度，为突出某些细节，外观造型设计难免会有小的圆角或圆孔出现，包括一些有特殊要求的线条需要保证，不可随意增减材料。但从强度角度出发，又不希望出现较高的应力集中，这一系列问题需要我们通过有限元分析的方法对其进行应力分析了，在建模完成后进行网格划分，进行强度分析，根据结果再对轮毂造型、量化等方面做一些调整，这样经过多次验证，首先保证了产品强度，然后突出了创意造型且做到了轻量化设计，最终得到最优的结果，这是实现既美观又实用的车轮产品设计的关键所在，也是本课题的研究重点。三、理论基础本课题首先以工业设计美学等造型设计理论为指导，分析了国内外的汽车轮毂的造型设计的特点，提出了国内在汽车轮毂造型设计本土化的论点；然后，在有限元分析理论的基础上，探讨了有限元分析方法在汽车轮毂结构设计中的运用。 3.1工业设计美学基础 工业设计美学，是美学领域里一门新兴的学科，它与传统的美学学科不同，主要是研究工业领域，信息领域的事物，是一种服务于市场经济的新兴的应用美学是美学在物质生产、信息传播领域里的一种应用，是美学科学的个分支学科，是对设计文化的美的研究。 车轮造型设计的美学准则：1.节奏与韵律2. 统一与变化3. 比拟和联想；美学法则在车轮设计中的运用，必须结合车轮自身的性能特点与其他造型因素进行有机、自然的结合，合理地求得完美统一的外观形象。 3.2有限元分析的理论基础有限元法是将连续体离散化的一种近似方法，其理论基础是变分原理、连续体剖分与分片插值。即首先找到对所求解的数学物理问题的变分表示，对于固体力学问题而言是写出其总能量表示式，然后将问题的求解区域剖分成有限个小单元的集合，在单元内用分片插值表示物理函数的分布，求解离散后的代数方程得到物理函数的数值解。四、论文的研究进展和进度安排2.132.26 英语文献翻译；查阅相关资料。2.273.18 熟悉UG软件，完成轮毂实体模型建模。3.194.08 应用UG软件，完成轮毂结构有限元模型建模。4.094.29 完成轮毂结构的强度分析。4.305.20 撰写毕业论文。5.216.01 论文评阅；毕业答辩。参考文献【1】有限元法基础，李人宪，国防工业出版社【2】有限元法原理和应用，朱伯芳，水利电力出版社【3】UG NX 7.0新手入门与范例精通，钟日铭等，机械工业出版社【4】UG NX 7.0有限元分析入门与实例精讲，沈春根，机械工业出版社【5】航空发动机结构设计分析，陈光，北京航空航天大学出版社【6】机械优化设计，孙全颖，哈尔滨工业大学出版社【7】工程结构优化设计基础 程耿东 北京 水利水电出版社 1984【8】基于有限元分析的汽车轮结构优化设计 崔胜民 杨占春 机械工业出版 2001 (9)【9】铝合金汽车车轮的优化设计 cad/cam Haipeng Li, Lihui Wang.2003(8)【10】基于FEA的车轮结构形状优化设计 阎胜昝 童水光 钟翠霞 朱训明 王树山 期刊：机械设计 2009【11】基于ANSYS的低压铸造铝合金轮毂的优化设计 曲文君 期刊：制造业自动化 【12】轿车铝合金车轮模态计算和优化设计 孙红梅 燕山大学图书馆 2007指导教师意见：同意 签 字： 年 月 日博士、硕士学位论文开题报告记录时 间：2010.12.30地 点：C2-302记录内容： 记录人： 年 月 日 开题报告评审专家组成员名单(57人)姓 名职 称工 作 单 位签 名顾立志教授华侨大学机电学院郝艳华研究员华侨大学机电学院黄致建研究员华侨大学机电学院林福泳教授华侨大学机电学院导师组审核意见：（是否通过开题论证，是否需要修改等） 评审组组长签字： 年 月 日学院意见： 学院评定委员会主席签字： 学院公章： 年 月 日备注：