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基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计,基于,有限元分析,轿车,铝合金,车轮,设计
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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: 专 业 班 级: 学 生 姓 名: 导 师 姓 名: 开 题 时 间: 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。 SY-025-BY-3开题报告学生姓名系部专业、班级指导教师姓名职称从事专业车辆工程、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，Bugatti公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(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，Pontiac SE车型的Grand Prix车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Gorvette车和另外两种Grand Prix车型也采用了铝合金车轮;Pontiao Fiero的一种新车采用了表面为黑色的铝合金车轮;Dodge Dynasty车也把花边式样的铝合金车轮装了上去。同年，福特公司在Merkur Scorprio轿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CAD/CAE技术的设计方法国外企业对CAD/CAE技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CAD技术进行产品的三维设计，采用CAE技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CAD技术运用也较为普遍，许多汽车整车及相关零部件制造企业早已使用UG、PROE/、CATIA等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CAE技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，CAE技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。CAD/CAE技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CAE技术中，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-飞机结构静、动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ANSYS、I-DEAS、MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN、ABQAUS、ALGOR等。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）的基本内容、拟解决的主要问题1.设计的主要内容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。2.拟解决的主要问题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ANSYS软件的学习，掌握使用ANSYS软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）改进设计完成设计是否满足要求用Pro/E建立三维模型用ANSYS进行强度静态分析验证结果可行性轮辐设计轮辋设计车轮设计车型选择四、进度安排（1）知识准备、调研、收集资料、完成开题报告 第12周（2.283.11）（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35周（3.144.1）（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68周（4.44.22）（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912周(4.255.20)（5）评阅教师评阅、学生修改 第13周（5.235.27） （6）毕业设计预答辩 第14周（5.306.3）（7）毕业设计修改 第1516周（6.66.17）（8）毕业设计答辩 第17周（6.206.24）五、参考文献1赵玉涛.铝合金车轮制造技术M.北京：机械工业出版社，20042詹友刚.Pro/ENGINEER中文野火版4.0曲面设计教程M.北京：机械工业出版社，2009.13刘惟信.汽车设计.北京：清华大学出版社M，2006.14刘坤主编；吴磊编著.ANSYS有限元方法精解M.北京：国防工业出版社，2004.85博弈创作室编著.ANSYS7.0基础教程与实例详解M.北京：中国水利水电出版社，20036余志生.汽车理论M.北京：机械工业出版社，2010.17王霄锋，王波.汽车车轮结构强度分析J.机械强度，2002，24(1):0660698赵震伟，王波.应用有限元软件指导车轮的结构改进J.机械设计与制造，2000(5):27289赵震伟,王波,王霄峰,管迪华.应用有限元软件指导车轮的结构改进J.机械强度，2000（10）：272810曲文君.基于ProE的低压铸造铝合金轮毂的设计与静力学分析J.制造业自动化，2009（7）：16116311武海滨,闫绍平,仪登利.铝合金轮毂的有限元分析J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2010(4):28228412闫胜昝.铝合金车轮结构设计有限元分析D.杭州：浙江大学，200813孙红梅.轿车铝合金车轮模态计算和优化设计D.秦皇岛：燕山大学，200714GB-T 3487-2005.汽车轮辋规格系列S,2005 15 H.Akbulut. on optimization of a
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