毕业设计（论文）-铝合金轮毂的有限元分析及优化

IV1绪论1.1研究现状车辆依靠轮毂与地面的相互作用产生各种运动，轮毂的特性对汽车运动有着举足轻重的作用。轮毂的侧偏特性是汽车操纵稳定性的基础,轮毂的非线性特性对汽车的转向特性及行驶稳定性有重要影响。车辆的操纵稳定性在很大程度上取决于轮毂的侧偏特性,包括各种垂直载荷下轮毂的侧向力、纵向力和回正力矩与侧偏角、纵向滑移率的关系,因此建立精确的轮毂动力学模型是进行车辆操纵稳定性控制等仿真研究的基础.轮毂模型的构造一般分为二种,一种是理论模型(物理模型),即通过对车轮结构和形变机理的数学描述,建立剪切力和回正力矩与相应参数的函数关系,轮毂理论模型是在轮毂物理结构和变形机理研究的基础上建立的对轮毂力和力矩的数学描述,由于理论模型形式复杂,计算效率低,因此在车辆动力学研究中应用有很大困难。1987年由荷兰Delft理工大学的HBPacejka教授提出,后被称为“魔术公式”轮毂模型,这是一个基于试验数据的经验轮毂模型,通过对试验数据拟合得到。试验通过专用的试验台架或试验车进行,这种试验设备能够排除次要因素,模拟出待定的轮毂行驶条件,准确地再现轮毂的各种工作情况.试验过程中用于检测各类数据的仪器有很高的精度和灵敏度,并配备有功能强大的数据处理系统,从而保证了试验数据的准确可靠.HBPacejka轮毂模型只用一套公式就可完整地表达纯工况下轮毂的力学特性,故称为“魔术公式”。其轮毂力特性的表达精确和简洁,适应工况范围宽广,在汽车操纵动力学研究中应用比较广泛,在现今的轮毂特性描述中,魔术公式越来越占据主导地位,其拟合的精度较高,而且在极限值以外的一定范围内仍可应用,并具有较好的置信度,适合于汽车动力学模拟、控制等领域进行理论分析和预测。1.2研究意义安全之行，始于“足”下，轮毂承载汽车前进的同时，更直接影响着汽车的安全与性能。大家都知道，现在汽车超载引起的事故不为少数，还有很多是因为超载引起车子爆胎，从而引发不该有的交通事故，所以轮毂的承载能力是一个值得深思的问题。不仅仅如此，轮毂的承载能力有额定的负载，因此超载会严重影响轮毂的寿命，从而达不到轮毂应有的寿命，所以很多轮毂厂家也因为无法控制的超载而十分头疼。所以如何发挥轮毂应有的承载能力真的十分重要！作为汽车行驶的四只脚，汽车轮毂的重要性不言而喻。在汽车的高速行驶过程中，轮毂故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。轮毂是汽车行驶系统的重要部件，实际上我们完全可以用一句话来概括轮毂的作用和重要性：当一个人坐到了汽车里面以后，那么，这个人实际上就完全交给了汽车，而汽车在行驶当中，实际上就全部交给了四个轮毂。轮毂一旦出现问题，不论是车辆还是车上的人，都会受到巨大的危险。所以，每一个驾驶员都应该十分在意自己车辆的轮毂。对于提高轮毂承载能力的措施可以从技术措施、施工措施、工艺管理等方面去改变。1.3研究内容此次课题主要研究的是轮毂在静止情况下轮毂所承受的载荷跟轮毂下沉量，轮毂材质以及轮毂大小的关系。通过学习SW软件，将轮毂的参数导入软件，通过软件ANSYS进行应力分析。以及轮毂变化导致的所承受的载荷的变化，在SW这个软件中我们可以改变其中任何一个变量从而获得其相对应的应力分析报告，可以说来是十分的方便。下面我们将着重讲SW对于这个实验的重要性，以及通过ANSYS来对于轮毂有限元分析的一个研究。本文主要针对宝马530Li家用轿车的轮毂进行模仿设计，该轮毂为19寸、型号为275/35R19，速度等级Y(300km/h)。

2基于Solidworks的轮毂三维建模Solidworks是目前机械行业的主流软件，相比较于平面二维设计软件，Solidworks更加直观。工程师使用Solidworks进行机械结构设计时，操作简单便捷，因为在Solidworks中自带一些模型和结构，可以在设计的时候直接调用，也可以通过简单的数字修改使其变更自己需要的模型，同时用户还可以将自己平时经常使用的模型等保存在数据库中，备平时的调用。设计出的零部件，在加工的过程中就不会因为结构的不良，反复反复不断的回去确认产品的设计，提高零部件的加工效率。图2-1轮毂二维图零件设计生产的符合要求，也会在很大程度上方便产品的组装和加工，使得产品的设计和生产周期大大的缩短。同时在设计图完成以后也方便业务人员与客户方进行沟通，更加直观的展示产品的结构和外观，还可以通过给客户演示产品的运行，确认是否满足客户的需求。做客户满足的产品，才能增强企业的竞争力，提高企业的经济效益。Solidworks最受欢迎的一个原因就是可以三维立体的展示产品，设计师设计完结构后可以在Solidworks通过计算和演示操作，确认机械结构合理性，通过演示实际的操作确认是否有设计的不够完善的地方，是一个可以自检的工具，通过使用该软件能够更直观的展示轮毂的外形以及结构。图2-2轮毂Solidworks三维模型通过软件自动导出该轮毂的质量属性如下：质量=16.95千克体积=6279282.00立方毫米表面积=1245578.06平方毫米重心:(毫米) X=-106.09 Y=0.01 Z=0.05惯性主轴和惯性主力矩:(千克*平方毫米)由重心决定。 Ix=(0.00,0.96,-0.29) Px=461431.05 Iy=(0.00,0.29,0.96) Py=461465.49 Iz=(1.00,0.00,0.00) Pz=676529.63惯性张量:(千克*平方毫米)由重心决定，并且对齐输出的坐标系。 Lxx=676529.61 Lxy=5.92 Lxz=-68.29 Lyx=5.92 Lyy=461434.02 Lyz=-9.67 Lzx=-68.29 Lzy=-9.67 Lzz=461462.55惯性张量:(千克*平方毫米)由输出座标系决定。 Ixx=676529.64 Ixy=-6.54 Ixz=-150.03 Iyx=-6.54 Iyy=652237.96 Iyz=-9.66 Izx=-150.03 Izy=-9.66 Izz=652266.45

3基于ANSYS的有限元分析3.1导入Solidworks三维模型将Solidworks轮毂三维模型导入到ANSYS中，具体如下图所示。结构线性静力学分析是零件结构分析最基础的部分，静力学分析是工程结构设计人员使用最频繁的分析手段，主要用来求解结构在与时间无关或时间作用效果可忽略的静力载荷（如集中载荷、分布载荷、螺栓预备紧载荷、温度载荷、强制位移、惯性载荷等）作用下的响应，得出所需的节点位移、节点力、约束反力、单元内力、单元应力和应变能等。ANSYS是一款专业的有限元分析软件，它几乎满足所有类型的结构线性静力学分析，本文所需要的模型所受载荷和约束相对较简单，采用ANSYS软件对它进行分析将会得到非常精确的结果。图3-1导入ANSYS轮毂三维模型图3-2设置轴和轮毂的材质及配合关系3.2选取材料根据查阅资料以及实际使用情况，关于该轮毂的材料选用美国标准铸造铝合金6061-T6。其材料力学性能及各项参数如下所示。图3-3各向同性弹性图3-4双线性各向同性硬化图3-5热膨胀系数图3-6S-N曲线图3-7各向同性导热系数图3-8比热恒压3.3划分网络网格划分是有限元分析前处理工作之一，也是有限分析计算的基础。网格划分的优劣是决定计算精度的重要环节，特别是对于大型和复杂的模型来说，网格的划分有特别的耗时。对一般的模型来说，网格的划分还是比较容易的。ANSYS中网格的划分主要分为线网格、面网格、体网格三种形式，本课题采用体网格进行网格划分，在体网格划分中又可分为四面体和六面体网格，主要根据模型情况来定需要哪种划分。图3-9划分网络3.4分析设置3.4.1标准地球重力设置轮毂Z轴方向受地球重力作用，选择全部几何体做为受力范围，设置标准重力加速度值9.8066m/s²，受力方向为-Z方向，其中X分量、Y分量为零。3.4.2热条件设置选择全部几何体做为热条件作用范围，受热温度按照该地区平均室外温度23摄氏度做为制约条件，实际轮毂在使用过程中会因为汽车在行驶过程中、以及刹车等操作额外产生温度升高的现象，这里不做考虑。3.4.3圆柱形支撑设置轮毂的固定是通过M24螺栓穿过5-φ25孔锁紧到传动轴上，5-φ25做为轮毂支撑的条件，并通过螺纹孔固定、以及轴端面和轮毂端面压紧，限制了轮毂除X轴转动之外的所有自由度。被限制的自由度包括：X轴的移动、Y轴的移动、Z轴的移动、Y轴的旋转、Z轴的旋转。3.4.4压力设置轮毂与轮胎之间通过填充压缩空气的方式实现轮胎的正常使用，其中轮毂的外圆柱面承受填充空气的压力作用。根据轮胎的使用标准这个压力值为250000Pa,受力方向为垂直指向轮毂回转中心。同时来自汽车自身重量的压力按照5000N计算。3.4.5旋转角速度设置速度为300km/h，换算后为300x1000/3600=83.3m/S,对应轮毂需要转动圈数n=83.3/0.8/3.14=33.2,换算成弧度为33.2x2x3.14=208rad/s。3.5分析结果图3-10分析进行中图3-11动态弯曲疲劳测试图3-12动态径向疲劳测试

4轮毂的优化设计4.1优化尺寸通过上一章节的分析校核，得出轮毂的薄弱区域，对该区域进行强化设计，增加外圆面的壁厚，将尺寸R217mm修改成R212mm，等于壁厚增加了5mm；将尺寸R191.6mm修改成R186.6mm，同样是增加了壁厚5mm；将轮毂法兰盘面厚度尺寸11.95mm修改成20mm。具体的前后对比如下图所示。图4-1改进尺寸前后对比图4.2优化后分析修改尺寸后，重新将Solidworks轮毂三维模型导入到ANSYS中，进行分析，图4-2动态弯曲疲劳测试图4-3动态径向疲劳测试

总结本文主要针对宝马530Li家用轿车的轮毂进行设计，该轮毂为19寸、轮胎型号为275/35R19，速度等级Y(300km/h)。通过Solidworks软件对轮毂进行三维建模，然后将轮毂三维模型导入到ANSYS中，根据查阅资料以及实际使用情况，该轮毂的材料选用美国标准铸造铝合金6061-T6。轮毂Z轴方向受地球重力作用，选择全部几何体做为受力范围，设置标准重力加速度值9.8066m/s²，受力方向为-Z方向，其中X分量、Y分量为零。选择全部几何体做为热条件作用范围，受热温度按照该地区平均室外温度23摄氏度做为制约条件，实际轮毂在使用过程中会因为汽车在行驶过程中、以及刹车等操作额外产生温度升高的现象，这里不做考虑。轮毂的固定是通过M24螺栓穿过5-φ25孔锁紧到传动轴上，5-φ25做为轮毂支撑的条件，限制了轮毂除X轴转动之外的所有自由度。轮毂与轮胎之间通过填充压缩空气的方式实现轮胎的正常使用，其中轮毂的外圆柱面承受填充空气的压力作用。根据轮胎的使用标准这个压力值为250000Pa,受力方向为垂直指向轮毂回转中心。同时来自汽车自身重量的压力按照5000N计算。通过ANSYS分析动态弯曲疲劳测试、动态径向疲劳测试得出设计中的不足之处，得出轮毂的薄弱区域，对该区域进行强化设计，增加外圆面的壁厚，将尺寸R217mm修改成R212mm，等于壁厚增加了5mm；将尺寸R191.6mm修改成R186.6mm，同样是增加了壁厚5mm；将轮毂法兰盘面厚度尺寸11.95mm修改成20mm。然后重新分析校验合格。

致谢大学的学习阶段即将结束，我们也即将步入社会，通过毕业设计将大学所学课程进行了一次综合性的考察。毕业设计从选择题目到查阅文献，一直到设计图纸、撰写说明书，最终完成毕业设计，其过程也是非常艰辛。每个阶段都离不开指导老师的帮助，在这里对指导老师以及大学学习过程中所有老师和帮助过我的同学们说一声谢谢。通过毕业设计可以更系统地将所学的相关知识联系起来，可以锻炼我们遇到问题时，对问题的分析和解决的能力。毕业设计是大学阶段的最后一次考试，也是我们以后工作的开始，通过毕业设计可以锻炼我们独立思考及将所学知识进行输出的能力，这也会使我们对即将开启的工作更有方法也更有信心。通过专业课所学的知识及查找相关的资料等，在设计的过程中，机械的相关参数和标准都是非常关键的，对判定设计是否合格，是否能够满足使用起着非常关键的作用，同时也使我意识到，严谨认真对于一个设计人员来讲是非常宝贵的一种素养。人生路很漫长，感谢在大学这一站点遇到你们，正是有了你们才使我的大学生活更加丰富多彩！明天我们即将步入社会，前往人生的另一站点，即将离开母校的我，预祝老师们工作顺利、身体健康，预祝同学们前程似锦、勇攀高峰！

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