基于UG的火轮汽车轮毂三维建模与有限元应力分析毕业设计

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1、毕业设计题 目：基于UG的火轮汽车轮毂三维建模及有限元应力分析院系别：机电及自动化学院专 业：机械工程及自动化级 别：2008学 号：0811114033姓 名：罗 云指导 老师：郝艳华华侨大学教务处20XX6月33 / 38论文摘要： 车轮是左右整车性能最重要的安全部件,不仅要承受静态时车辆本身垂直方向的自重载荷,更需要承受车辆行驶中来自各个方向因起动、制动、转弯、路面凹凸不平等各种动态载荷所产生的不规则应力之考验。它的轴向跳动和径向跳动精度,又直接影响到整车行驶中的平稳性、抓地性、偏摆性、制动性等行驶性能。随着汽车工业的迅猛的发展,铝合金轮毂的应用越来越普遍。铝合金轮毂具有重量轻,降低油耗

2、；散热性好,提高轮胎寿命；缓冲和吸震性好；造型美观,易加工,耐腐蚀等优点。但中国铝合金车轮行业普遍存在设计周期长,制造成本高等问题。在汽车设计制造中计算机辅助设计是必然趋势,因此采用先进的三维CAD软件和大型CAE软件对汽车铝合金轮毂进行结构设计,有利于缩短设计周期,提高产品质量。目前,在中国用有限单元法对铝合金车轮进行研究还处在起步阶段。只有少数的科研院所和高校对钢制车轮进行有限元分析研究。因此,有必要把有限元技术应用到铝合金车轮上,以解决生产实际问题。 本课题：基于UG的火轮汽车轮毂三维建模及有限元应力分析,是从汽车轮毂基本特征入手并结合工业设计美学,打造出具有中国元素的车轮,应用UG软件

3、三维建模并完成网格划分,用有限元分析模块做出强度分析。 通过此次设计学习并熟练掌握UG软件的建模与有限元分析功能,对车轮做强度分析,为车轮结构优化设计提供依据。关键词：铝合金车轮 UG 有限元Abstract Wheel is the most important safety component of the vehicle performance, Not only to bear the load of the vehicle itself static weight on vertically. And withstand the test of vehicles from all d

4、irections, starting、braking、cornering、uneven surface and other dynamic loads generated by the irregular stress. Its axial and radial runout accuracy has a direct impact to the vehicle traveling in the smooth, grip, swing, braking and driving performance. By the rapid development of automobile indust

5、ry, the increasing application of aluminum alloy wheels. Aluminum alloy wheels with light weight, lower fuel consumption; good heat dissipation, improve tire life; buffering and shock absorption; attractive appearance, ease of processing, corrosion resistance, etc.But in China aluminum alloy wheel i

6、ndustry have prevalence of long design cycles, high manufacturing costs, and other issuesputer-aided design is an inevitable trend in automotive design and manufacturing.Therefore the use of 3D CAD software and large CAE software for car aluminum wheel structure design, is benefit to shorten the des

7、ign cycle and improve the quality of products.At present, in China adopt the finite element method on the aluminum alloy wheels research is still in its initial stage.Therefore, it is necessary to adopt the finite element technique on aluminum alloy wheel, to solve the practical problems of producti

8、on. This project:Based on UG establish steamer alloy wheel 3D modeling and finite element stress analysis, Start from the basic characteristics of the car wheels and combine the aesthetics of industrial design,to create a wheel with Chinese elements.using UG software establish 3D modeling and comple

9、te the meshing finite element analysis model with a strength analysis. Through this design study and master UG software 3D modeling and finite element analysis function.Do strength analysis of the wheel.Provide the basis for the optimized design of the wheel structure.Key Words: alloy wheel Unigraph

10、ics NX Finite element目录第一章 绪论11.1. 课题研究目的和意义11.2. 国外研究动态及现状分析21.2.1. 车轮的发展趋势21.2.2. 车轮疲劳分析研究31.3. 论文研究目标4第二章 理论基础与模型建立52.1 有限元技术及UG软件52.1.1 有限元法基本原理52.1.2 有限元法分析过程52.1.3 UG软件介绍72.2 车轮模型建立82.2.1车轮的结构设计的基本步骤：82.2.2 车轮参数确定及建立模型92.3 本章小结13第三章 车轮径向疲劳的有限元分析143.1 车轮径向疲劳试验原理143.2 车轮径向载荷疲劳有限元分析153.2.1 车轮有限元模

11、型建立153.2.2 径向载荷疲劳有限元分析183.3本章小结22第四章 车轮弯曲疲劳的有限元分析234.1 车轮弯曲疲劳试验原理234.2 车轮弯曲疲劳有限元分析244.2.1 车轮有限元模型建立244.2.2 车轮弯曲疲劳有限元分析274.3 本章小结29第五章 总结与展望305.1 毕业设计总结305.2 未来工作展望31参考文献32致33第一章 绪论1.1. 课题研究目的和意义 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角度设计出的具有中国元素的汽车车轮建立模型,并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

12、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。 随着汽车工业市场全球化,汽车产业已经成为国民经济的一项支柱产业。目前世界汽车市场上欧美、日车系独领风骚,很多国家工业起步早,汽车设计制造产业基础牢固,技术力量雄厚,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,中国的制造业日益成为世界性制造基地。国外各大汽车集团和著名摩托车生产企业,或在中国投资建厂,或在加大采购份额,国一些技术先进、管理严谨、质量过硬的铝合金车轮生产企业,已经成为他们的全球供货商。显然,这是千载一遇的机遇,但又是新的挑战。我们工业起步晚、自主研发能力差、汽车制造业急于求

13、成,过度依赖国外技术,直接导致我国汽车制造业发展一直很缓慢。就我们多数汽车生产厂的制造技术水平而言,与发达国家的同行比较存在着很大的差距。每个企业都面临着一个提升核心竞争力的问题,掌握先进制造技术是提升核心竞争力的重要方面。过度依赖国外先进、成熟的汽车技术而不是借鉴,更缺乏自主创新能力,这样便不能铸就我国的民族品牌,这就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,在车辆工业上我们任重而道远。车轮是汽车行驶系统最重要的部件之一,车轮的优劣是衡量整车质量和档次的最主要象征之一。车轮设计是汽车外观造型与整体性能的一个重点,车轮不仅要承受静态时车辆本身垂直方向的自重载荷、通

14、风制动器散热的需要,各种动态载荷所产生不规则应力的考验,而且车轮造型直接关系着汽车车身设计的品位和档次。因此,如何进行车轮的造型设计,如何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,另外全球汽车数量的迅速增长对能源和环境形成巨大挑战,解决环境和能源问题已经成为世界各个国家的基本共识,实现汽车轻量化即减轻汽车的自重成为首选措施,对铝合金车轮的节能、安全、环保提出了全新的要求,车轮结构轻量化成为设计重点。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

15、毂的结构优化设计提供好的方法2。1.2国外研究动态及现状分析1.2.1车轮的发展趋势 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。1

16、970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3。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8。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,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,这两个生产厂的生产装备部达到国际水平。当时国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

17、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3。汽车的高速化迫使车轮朝 三化迅猛发展。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20XX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

18、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、模具制造费高、原辅

19、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4。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

20、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 。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。镁和铝是最适宜制造车轮的理想轻合金材料,它们有着传统钢车轮所无法比拟的许多优点,更能适应整车高速化、节能化、现代化、高档次发展的需要。国际上车轮材料用得最为普遍的材料是A356合金,也是我国铝合金车轮行业普遍使用的材料。材料方面有向镁合金发展的趋势,镁合金有着极高的比强度、疲劳强度和比弹性模量,是极为理想的车轮制造材料。使用镁合金制造的车轮具有极佳的减振性能。但目前除飞机、跑车等一些特殊场合外,镁

21、合金车轮还末能像铝合金车轮那样广泛用于市场,主要原因是镁合金极易氧化的特点给熔炼、铸造所涉及的环保和生产成本等因素,带来了诸多暂时难于大量生产的难题,而且还有许多产业化的问题有待我们去研究解决。许多学者正研究使镁合金能量产的工艺和设备5。1.2.2车轮疲劳分析研究车轮的疲劳性能长期以来都是车轮性能研究的重点,20世纪70年代开始,欧美以及日本等国在铝合金车轮的性能试验方面就进行了研究,早在20世纪80年代美国和德国的汽车研究所就开发了FLIPS系统,利用有限元分析预测轮毂疲劳寿命。从此,有限元分析技术在车轮设计、研发中应用越来越广泛,在80到90年代,国外在车轮结构设计优化、疲劳失效等方面的研

22、究全面展开6。英国MSC工程软件公司应Goodrich Aerospace公司所求,合作开发了MSC.FATIGUE下的WHEELS模块。该模块专用于飞机轮子和其它旋转体的疲劳寿命,可以计算轮上每一节点的应力,并在损伤最严重的表面域为每一节点给出其疲劳寿命和疲劳损伤云图。作为形状和受力情况极为相似的汽车车轮,这一模块同样适用。土耳其学者用有限元仿真方法对钢制冲压车轮的弯曲疲劳试验进行静态仿真分析,得出应力集中处的塑性应变,结合材料的应力-应变曲线采用应力应变法和Miner累积损伤理论测其寿命,并取得很好的结果。美国Akron大学教授用有限元法模拟铝合金车轮的径向疲劳试验,并考虑了轮胎及气压的影

23、响,建立有效地力学模型,求出车轮的应力应变分布78。我国在80年代开始引进有限元分析技术和软件,车轮行业方面有限元研究不多,较为突出的是汽车车轮结构分析方法与应用课题,主要研究了车轮的静力学分析、车轮疲劳寿命估算和可靠性分析、结构抗疲劳设计等方面,建立了基于有限元结构分析的车轮优化设计方法及基于车轮台架试验标准的计算机模拟和仿真系统,此外还有很多人对车轮结构优化设计进行研究,通常采用有限元软件,以轮辋和轮辐的厚度为设计变量,以结构轻量化为目标,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,因此车轮强度分析与结构轻量化设计仍将是研究的重点912。1.3论文研

24、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。 3主要容是针对对具有中国风特色的火轮汽车轮毂,用UG软件完成其3D几何建模、网格划分、强度分析。 4综合运用所学专业知识,独立完成工程结构件的强度分析,能够独立解决实际的工程结构件优化问题,作为我们从高校迈向工作岗位重要的一步。第二章 理论基础与模型建立2.1 有限元技术及UG软件2.1.1 有限元法基本原理计算机辅助工程CAE 指工程设计中的分析计算与分析仿真, 而有限元法FEM 是计算机辅助工程CAE中的一种, 另外CAE还包含了边界元法BEM 和有限差分法FDM 等。这

25、几种方法各有其优缺点, 各有其应用领域,但有限元法的应用最广。有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法,是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合在一起的一种数值分析技术,是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。有限元是一种离散化的数值方法。离散后的单元与单元间只通过节点相联系, 所有力和位移都通过节点进行计算。对每个单元选取适当的插值函数,使得该函数在子域部、子域分界面上 以及子域与外界分界面 上都满足一定的条件。然后把所有单元的方程组合起来, 就得到了整个结构的方程。求解该方程,就可以得到结构的近似解。离散化是有限元方法的基础。必须依据结构的实际情况,决定单元的类型、数目、形状、大小以

26、及排列方式。这样做的目的是将结构分割成足够小的单元,使得简单位移模型能足够近似地表示精确解13。因次它可以对各种类型的工程和产品的物理力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化,以实现产品技术创新, 故已广泛应用于各种力学、电学、磁学及很多结合学科领域; 同时, 由于它能够处理耦合问题, 使得其有更大的应用前景。你可以从专业的角度理解有限元:包括变分原理、等效积分和加权余量法等, 也可以从直观的意义上理解有限元: 把连续体划分为足够小的单元, 这些单元通过节点和边连接起来,通过选择简单函数 来近似表达位移或应力的分布或变化, 从而得到整个连续体物理量的分布和变化14。2.1.2 有限元法分析过程

27、所谓有限元法FEA基本思想是把连续的几何机构离散成有限个单元,并在每一个单元中设定有限个节点,从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体,同时选定场函数的节点值作为基本未知量并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律,再建立用于求解节点未知量的有限元方程组,从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以至个集合体上的场函数。对每个单元,选取适当的插值函数,使得该函数在子域部、在子域分界面上以及子域与外界面上都满足一定的条件。单元组合体在已知外载荷作用下处于平衡状态时,列出一系列以节点、位移为未知

28、量的线性方程组,利用计算机解出节点位移后,再用弹性力学的有关公式,计算出各单元的应力、应变,当各单元小到一定程度,那么它就代表连续体各处的真实情况15。本课题中主要应用有限元法完成铝合金车轮的强度分析,依据有限元法的基本思想对车轮网格划分,就是将车轮几何模型离散化,分成有限个细小的单元。具体分析过程可以概括为六个步骤16：1. 结构的离散化结构的离散化是有限元分析的第一步,关系到计算角精度。离散化的过程简单地说是将分析的结构物划分成有限个单元体,是力学模型变成离散模型,以代替原来的连续体。为了有效地逼近实际的连续体和保证计算精度,就需要考虑选择单元的形状、确定单元的数目和确定划分方案等问题。然

29、后求解的问题就转变为求有限个自由度的节点位移。有限元法计算精度取决于划分单元的形状、大小、数量和分布情况,通常划分的单元愈多、愈密集、也就愈能反映实际结构状况,计算精度愈高,但计算工作量增大,时间增长,因此必须两方面兼顾,在满足精度的要求下尽可能减少单元数目。2. 位移模式的选择结构离散化完成后,就可以对典型单元进行特征分析。为了能用节点位移表示单元体的位移、应力、应变,就必须对单元中位移的分布做出一定的假设,也就是假定位移是坐标的某种简单的函数,这种函数称为唯一模式或位移函数。在有限元法应用中普遍选择多项式作为位移模式。其原因是多项式的数学运算简便,并且从所有光滑函数的局部来看都可以用多项式

30、逼近,即不完全的泰勒级数。根据所选定的位移模式,就可以导出用节点位移表示单元任一点位移的关系式,其矩阵式是： 式中为单元任一点的位移列阵；为单元的节点位移列阵；为形函数矩阵,它的元素是位置坐标的函数。3. 单元力学特性的分析位移模式选定以后进行单元力学特性的分析,包括三个部分容。 利用几何方程,由位移表达式导出用节点位移表示单元应变的关系式； 式中是单元任一点的应变列阵；为单元应变矩阵。 由应变表达式导出用节点位移表示单元应力的关系式；式中为单元任一点的应力列阵；是与单元材料有关的弹性矩阵。 由虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式,单元的刚度方程； 式中为单元刚度矩阵,可以推

31、导出：上式的积分遍及整个单元的体积。4. 等效节点力的计算 弹性体经过离散化后,假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元,但是作为实际的连续体,力是通过公共边界传递。作用在单元边界上的表面力和作用在单元上的体积力、集中力等都需要等效移置到节点上去,用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。移置的方法是按照作用在单元上的力与等效节点力,在任何虚伪位移上的虚功都相等的原则进行。5. 单元迭加建立整个结构的平衡方程集合所有单元的平衡方程,建立整个结构的平衡方程组集总体刚度矩阵、载荷列阵以及节点位移列阵形成的整个结构的平衡方程为：6. 节点位移的求解和单元应力的计算由结构的平衡方程组求出节点位移,再

32、利用公式和求出的节点位移来计算各单元的应力,并加以整理得出所求的结果。2.1.3 UG软件介绍UGUnigraphics NX是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案,它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。 且包含了企业中应用最广泛的集成应用套件,用于产品设计、工程和制造全围的开发过程。UG针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求,提供了经过实践验证的解决方案。这是一个交互式CAD/CAM系统,它功能强大,可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。NX 为那些培养创造性和产品技

33、术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。利用 NX 建模,工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状, 并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。 NX 包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。 NX 具有高性能的机械设计和制图功能,为制造设计提供了高性能和灵活性,以满足客户设计任何复杂产品的需要。 NX 优于通用的设计工具,具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。 UG的开发始于1990年7月,它是基于C语言开发实现的。UG NX是一个在二和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值

34、求解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。因此软件可对许多不同的应用再利用。一个给定过程的有效模拟需要来自于应用领域、数学及计算机科学的知识。然而,所有这些技术在复杂应用中的使用并不是太容易。这是因为组合所有这些方法需要巨大的复杂性及交叉学科的知识。最终软件的实现变得越来越复杂,以致于超出了一个人能够管理的围。一些非常成功的解偏微分方程的技术,特别是自适应网格加密adaptivemeshrefinement和多重网格方法在过去的十年中已被数学家研究,同时随着计算机技术的巨大进展,特别是大型并行计算机的开发带来了许多新的可能UG的目标是用最新的数学技术,即自适应局部网格加密

35、、多重网格和并行计算,为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础17。本课题是基于UG软件建模并有限元分析,在建模环境中完成铝合金车轮3D模型,进入高级仿真环境,对车轮划分网格,这是有限元法中结构离散化的应用,将力学模型转化为离散模型,指派材料,施加边界条件,通过求解完成应力分析。2.2 车轮模型建立2.2.1车轮的结构设计的基本步骤：1. 根据车轮的装车情况对设计的车轮进行归类并初定出车轮的各种装配参数。2. 车轮装配参数确定后,根据车轮的外观形状和偏距、装配情况等要素来确定车轮选用正向轮辋还是反向轮辋及其形状。3. 轮辋确定后就可以根据装车的要求、车轮形状和载荷等确定出车轮安装和

36、轮辐的初步设计。4. 根据轮辐形状、轮辋形状和车轮的规格定义出机加余量和掏料结构的设计。5. 对做出的车轮进行重量计算和有限元分析,确定是否需要进一优化车轮的产品结构。6. 如果重量计算和有限元分析合理,即可完成车轮的结构设计并输出工程图纸,如果不合理则重复上面步骤进行更改。2.2.2 车轮参数确定及建立模型火轮的汽车轮毂轮毂材料为A356,国牌号为ZLl01A。美国铝业协会标准对A356在不同时期的化学成分有不同的要求,A356合金锭称作A356.2,熔炼过程中的合金为A356.1,最终车轮成品的合金为A356.0,其主要化学成分如表2-1所示18：表2-1 材料A356.0的主要化学成分要

37、求化学成分SiMgFeCuMnZnTi百分含量 材料属性：密度:；弹性模量:；泊松比:；许用应力。本车轮模型采用整体式正向轮辋,铝合金压铸。 车轮规格：167J；16名义直径；表示整体式轮辋；7表示名义宽度；J轮辋类型,指深槽轮辋；根据设计指导书车轮名义直径减去0.8mm,即：405.6x178 19；ET：45mm；PCD：4x100；安装盘直径：150mm；设计载荷：1600。 根据GB/T3487-2005 J型轮辋轮廓应符合如图2.1的规定19：图2.1 5J型轮辋轮廓Fig.2.1 5-degree J-type rim contour这些尺寸给出了轮辋槽的最小尺寸及其位置,以保证轮

38、胎顺利装、拆。较大的槽底深度更方便无胎气门嘴的安装,5J型轮辋相关尺寸要求如下表2-1所示19：表2-1 5J型轮辋主要尺寸要求单位:mm轮辋轮廓AL7J178.019.519.522.045.0轮辋直径代号标定直径平峰周长圆峰周长16405.61274.21276.4车轮胎圈座根据装胎方向不同也有不同的要求,如表2-2所示：表2-2 胎圈座组合组合状态侧外侧标准适用正向轮辋圆峰平峰选用适用反向轮辋平峰圆峰选用圆峰圆峰凸峰圆角R4取36mm这里采用正向轮辋,即轮辋侧圆峰、外侧平峰。依国标及设计指导书轮辋外侧凸峰的尺寸设计如图2.2所示： 侧圆峰结构及尺寸 外侧平峰结构尺寸图2.2 胎圈座设计F

39、ig.2.2 Bead seat design根据设计指导书的要求气门孔结构如图2.3：图2.3 气门孔结构Fig2.3Structure of valve hole这样设计出轮辋截面图,如图2.4：图2.4 轮辋截面图Fig.2.4 Wheel rim section为了凸显艺术外观,螺栓孔与通风孔结合的表现形式,本车轮安装盘设计为裸露螺栓孔,以及根据；安装盘直径为；为达到更好的装配要求,安装面设计为有0.2角的锥面,并且不进行涂装与电镀处理,安装盘如图2.5所示：图2.5 安装盘结构 Fig.2.5 Structure of installation disk轮辐设计的顺序是先根据车轮的外

40、观设计出轮辐正面的轮廓线,再设计轮辐背面的轮廓线,根据装车空间的需要进行调整两条线的位置,确定轮辐剖截面的设计,考虑轮辐的受力分布、铝液顺序凝固和补缩通道的需要,靠近轮辋部位的轮辐厚度,在20mm到26mm之间。而靠近安装盘部位的轮辐厚度,在25mm到32mm之间。本车轮轮辐靠近轮辋部位较薄,厚度为21mm,靠近安装盘部位初步设计为30mm,强度分析前未进行轮辐掏料。中心孔结构的设计主要是需要更多的考虑装配的关系,即中心孔与车轴之间、中心孔与卡口盖之间、中心孔与杯盖之间的配合。当车轴与中心孔之间进行配合时,除了保证车轮中心孔与车轴之间的配合为间隙配合外,还要求中心孔有足够的高度,以保证中心孔或

41、装饰盖和车轴顶部不会干涉。本车轮中心孔结构如图2.5所示：图2.6 中心孔结构 Fig.2.6 Structure of center hole螺栓孔结构如图2.6：图2.7 螺栓孔结构Fig.2.7 structure of bolt hole 初步设计出车轮的CAD图,如图2.8：图2.8 CAD草图Fig.2.8 Draft of CAD CAD图导入UG模型环境中进行建模,火轮铝合金车轮模型如图2.9：图2.9火轮铝合金车轮模型Fig.2.9 Model of SteamerAluminum Alloy Wheel2.3 本章小结 本章的主要容是车轮强度分析的理论基础、建模软件的介绍以

42、及中国风火轮铝合金车轮模型的建立,通过对有限元法的理解认识到怎样将一个整体的工程构建离散化成不同的单元,从而更细致的去分析工程构件各个不同的部分在受力情况下的应力分布及位移变化,了解了此次毕设所用建模软件UG,初次应用UG建模,通过建模来学习并掌握UG软件,最后根据毕设指导书的相关要求设计出二维图,在UG中建立铝合金车轮模型。第三章 车轮径向疲劳的有限元分析3.1 车轮径向疲劳试验原理 车轮径向疲劳试验是模拟汽车正常行驶时路面作用于车轮上的反作用力对车轮疲劳的影响,主要检查整个车轮的综合强度。车轮由试验转鼓带动进行旋转,用以模拟车轮在运行过程中承受车辆垂直负荷的工况。模拟车轮在行车中承受车辆垂

43、直负荷,标准要求车轮在试验负荷下经历一定的疲劳循环后,不得出现可见裂纹等破坏现象,车轮应能继续承受载荷且保持一定的气压。 试验装置中应有一直径大于400mm、表面光滑且宽度大于试验轮胎总宽度的转鼓,转鼓以恒速旋转,该试验装置应能承受作用在车轮上的径向负荷,并能使车轮在一定压力下与转鼓保持紧贴。试验时,给铝合金车轮安装上轮胎。轮胎额定载荷至少应等于轻合金车轮的标注值。车轮在试验装置上安装的方法与车轮在车辆上的安装方法相同20。图3.1 车轮径向疲劳试验原理图Fig3.1 The schematic digram of alloy wheel radial fatigue test 在施加径向载荷

44、的同时,要使转鼓旋转。试验前的轮胎气压至少应相当于被试验轮胎的最大设计载荷气压。施加的径向载荷按式确定: 式中：为径向载荷；为车轮竖直方向上最大负载；为强化实验系数。3.2 车轮径向载荷疲劳有限元分析3.2.1 车轮有限元模型建立完成车轮的几何建模后, 需要建立车轮的有限元分析FiniteElementAnalysis,FEA模型,对几何模型赋予材料属性、划分网格、施加边界条件、施加载荷21。 车轮的材料属性 本车轮轮毂材料为A356,国牌号为ZLl01,具有良好的铸造性能,流动性高,无热裂倾向、线收缩小气密性高,适合与复杂结构的成型。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

45、有自然时效能力,因而具有较高的强度和塑性,可以满足车轮高强度和刚度的性能要求。材料密度为,弹性模量为,泊松比为0.35,屈服强度,抗拉强度,对称弯曲疲劳极限有以下式确定： 则=105.2126.24MPa, 取120MPa 网格划分为了提高仿真的精度,对车轮进行网格划分,轮辋部分需要划为六面体单元,首先将轮辋分割体分成两半,对整个车轮进行一个网格配对,在截面上划分2D网格,然后通过3D扫略将轮辋划分成六面体,轮辐部分用Solid7单元划为3D四面体,连接处自动配对成金字塔单元,分网后总共形成10150个单元、42490个节点。划分网格后的模型如图3.2：图 3.2 车轮网格模型Fig.3.2

46、Wheel mesh 施加边界条件模型施加合适的边界条件是进行有限元分析的一个重要步骤,根据有限元思想将实际结构等效为边界条件,以及车轮径向载荷疲劳试验的工作原理,对车轮结构在安装盘面和螺栓孔施加约束,车轮是通过四个螺栓将车轮安装面紧固在轮毂上实现固定。因此,本文对车轮安装面垂直于表面方向的平动自由度进行约束,然后对四个螺栓孔表面施加径向约束,从而实现车轮模型的完全约束,车轮的约束方式如图3.3所示：图 3.3 边界条件Fig.3.3 Boundary condition 施加载荷由车轮径向疲劳试验原理可知,作用在车轮上的载荷主要有轮胎气压载荷和汽车负载。径向载荷疲劳试验的有限元分析模型中考虑

47、径向载荷作用的同时,必颏考虑充气压力的影响。在一定围轮辋胎圈座上施加呈半余弦弦函数分布的径向载荷,根据该车轮结构的结构特点,取在两个关键部位加载的情况分别进行分析,最大压力加载位置对窗口位置为Load1,也就是本模型通风孔靠近轮辋的小圆角部位,最大压力加载位置对辐条部分设为Load2,并在整个外轮辋上施加充气压力,载荷情况如图3.4所示21： Load1径向载荷 Load2径向载荷对辐条 气压载荷 图3.4 车轮径向载荷疲劳试验有限元模型Fig.3.4 FEA model of wheels radial load of fatigue test 其中径向载荷加载函数计算公式如下2122： 式

48、中,为试验要求径向载荷,分别为、外轮辋胎圈座宽度,分别为,外轮辋胎圈座半径,为加载围的一半,即120的,等于60,充气压力为实际试验时装胎车轮的轮胎充气压力,本模型气压值为2.5Bar,即250kPa实验要求径向载荷可根据公式:得出,车轮设计载荷为1600LBS,1600LBS0.454=727,取强化试验系数=1.6,试验载荷,由于轮辋所受的力是二次曲线而不是均布的,车轮120轮辋网格分为11部分,所以根据有限元思想在网格单元加载荷可以近似为按二次曲线分布的径向载荷,则径向载荷按加载角度变化值如下表3.1：表3.1 轮辋的单元压力值单位：-50-40-30-20-10010203040500

49、.1120.2100.2890.3470.3830.3950.3830.3470.2890.2100.1120.1070.2000.2760.3310.3650.3770.3650.3310.2760.2000.107这样完成了车轮有限元模型的建立,下一步进行求解。3.2.2 径向载荷疲劳有限元分析 进入UG求解模块,求解器类型为NX-NASTRAN,两种加载载荷情况下所得变形情况如图3.5所示： Load1变形图 Load2 变形图图3.5 径向载荷疲劳试验变形Fig.3.5 Deformation of radial load fatigue test在两种加载条件下,在正对通风孔小圆角部

50、位的轮辋胎圈座上施加径向载荷时,车轮结构的最大变形量为O497mm。在正对辐条的轮辋胎圈座上施加径向载荷时,车轮结构的最大变形量为O.547mm；两种载荷条件下的最大变形均发生在车轮承受径向载荷的轮辋区域,整个车轮结构的轮辋部分都有所变形,轮辋的变形明显比外轮辋的变形量大,并且对于正对辐条的轮辋胎圈座加载时,轮辋变形量大于正对通风孔加载的变形总体看来,车轮结构的变形量不大,车轮结构设计的刚度性能完全满足要求。再来看两种载荷加载情况下应力分布如图3.6所示：Load1应力分布Load2应力分布图3.6 应力分布Fig.3.6 The stress distribution Load1应力集中部分

51、 Load2应力集中部分图3.7 应力集中Fig.3.7 The stress concentration两种加载情况下的应力分析结果分别如上图Load1给出了载荷正对通风孔小圆角部位时的应力分布情况,分析结果表明最大应力发生在通风孔小圆角处,最大应力 Load2给出载荷正对辐条位置加载时车轮结构的应力分布情况,分析结果表明最大应力同样发生在通风孔小圆角处,靠近轮辐侧与轮辋交界的部位,最大应力值为49.74MPa从应力分析结果看来,在径向载荷作用下车轮结构的应力水平并不高,最大应力值远低于铝合金车轮材料对称弯曲疲劳极限,完全满足强度要求。3.3本章小结 本章的主要容是车轮出厂测试的一项重要容,

52、车轮弯曲径向疲劳的有限元分析,主要阐述了径向疲劳测试的试验原理及方法,然后在UG的FEAFinite Element Analysis模块对车轮指派材料属性、网格划分、边界条件加载,来模拟车轮实际的工况,求解出车轮在模拟工况中各个部分的应力分布情况及最大变形量。第四章 车轮弯曲疲劳的有限元分析4.1 车轮弯曲疲劳试验原理 车轮弯曲疲劳试验也称动态横向疲劳试验,该试验是使车轮承受一个旋转的弯矩,模拟车轮在行车中承受弯矩负荷,标准要求车轮在试验弯矩下经历一定的疲劳循环后不得出现裂纹等破坏现象。 目前,国外最常采用的车轮弯曲疲劳试验方法是采取车轮固定,由电机带动偏心块进行旋转,通过加载轴对车轮施加一

53、个旋转的弯矩24。其结构原理如图4.1所示；根据车轮弯曲疲劳试验的工作原理,有限元分析的边界条件设置如下：因为车轮轮辋边缘部分被试验台夹具压紧固定,不能旋转和移动,所以对轮辋边缘施加全约束,即六个自由度全部被约束车轮承受的弯矩是通过螺拴使车轮与安装盘、加载轴相连施加的,因此,在车轮结构的弯曲试验分析中需在车轮结构上添加安装盘、加载轴和连接螺栓,以模拟实际的加载方式,在加栽轴末端施加力,该力等于车轮试验弯矩除以建立的加载力臂的长度25。图4.1 弯曲疲劳试验工作原理Fig.4.1 Principle of Bending fatigue test车轮试验弯矩用表示,由式4-1确定： 4-1式中：

54、轮胎和道路间的设定摩擦系数；静负荷半径,车轮配用最大轮胎负荷下的静半径,单位m; 车轮的偏距或外偏距,单位m；车轮额定负载,单位N；强化系数。4.2 车轮弯曲疲劳有限元分析4.2.1 车轮有限元模型建立 车轮几何模型前面已完成,现在需要建立有限元模型,在仿真环境中指派材料属性,划分网格、给定边界条件、施加载荷,完成有限元模型建立。首先进入装配环境,给车轮装配加载轴、螺栓、螺母,完成模型装配。然后进入高级仿真环境,对装配模型进行网格划分如图如图4.2所示：图4.2车轮网格模型Fig.4.2 Wheel mesh 边界条件 车轮轮辋边缘部分被试验台夹具压紧固定,车轮承受的弯矩是通过螺拴使车轮与安装

55、盘、加载轴相连施加的,轮辋不能旋转和移动,所以对轮辋边缘施加全约束,六个自由度全部被约束,约束如图4.3所示26：图4.3 边界条件Fig.4.3 Boundary condition 施加载荷车轮弯曲疲劳试验中螺栓预紧力对分析结果没有太大影响,所以这里不考虑施加螺栓预紧力。取轮胎与道路间摩擦系数为27,如果综合考虑车辆行驶过程中会更加平稳、制动性能好、外视更加美观,根据GBT 2798-2008轮胎可取为65系列28,但根据试验要求需要选取最大轮胎,选取75系列轮胎规格为。最大轮胎静负载半径；车轮偏距；车轮额定负荷；取强化试验系数,由公式 计算得试验弯。试验轴长可以取,由得加载在试验轴末端的

56、力：,力的方向这里同样选取两个不同的方向,在XY平面 Load1为力指向X轴方向,即指向轮辐,Load2为力的方向与XY轴成45角,指向车轮通风孔方向,施加载荷后有限元模型如图4.4所示： Load1 Load2图4.4 车轮弯曲疲劳分析的有限元模型Fig.4.4 FEA model of the wheel bending fatigue analysis4.2.2 车轮弯曲疲劳有限元分析进入UG求解模块,求解器类型为NX-NASTRAN,位移变化情况如图4.5所示：Load1 变形图Load2 变形图图4.5 变形图Fig.4.5 Deformation在两种加载条件下,试验轴末端力的方向

57、指向X轴时, 车轮轮辐部位的最大变形量为。试验轴末端力的方向与XY轴成45角时,轮辐部位圆角处变形量最大,最大变形量为；在两种不同方向载荷条件下,轮辐部位的最大变形量有所不同,而且变形关于车轮轴心对称。综合分析、第一种情况下承受弯矩的主要是两根辐条,所以轮辐变形量会大一些。第二种情况四根辐条均有承受弯矩,力相对分散,所以变形量较小。总体看来,车轮结构的刚度性能满足要求。两种不同方向载荷条件下,车轮应力分布如图4.6所示：Load1 应力分布Load2 应力分布图4.6 应力分布Fig.4.6 The stress distribution由变形图可以看出车轮在不同方向载荷条件下,应力集中部位都

58、在通风孔靠近轮辋处的小圆角部位,第一种加载方式下应力分散在四根辐条上,小圆角处最大为,第二种加载方式下应力较为集中在两根辐条上,小圆角处应力最大为。综上所述,通风孔小圆角处为危险区域,而车轮材料A356.0对称弯曲疲劳极限 ,应力集中超过了疲劳极限要求,所以车轮还需要进行优化、对其进行参数化建模,适当调整圆角大小等。4.3 本章小结 本章的主要容是车轮出厂测试的另一项重要容,车轮弯曲疲劳的有限元分析,主要阐述了弯曲疲劳测试的试验原理及方法,在UG装配环境中给车轮装配加载轴、螺栓、螺母,然后进入FEAFinite Element Analysis模块对车轮指派材料属性、网格划分、边界条件加载,来

59、模拟车轮实际的工况,求解出车轮在模拟工况中轮辐部分的应力情况及最大变形量。第五章 总结与展望5.1 毕业设计总结 本课题基于UG的火轮汽车轮毂三维建模及有限元应力分析是从汽车铝合金车轮的基本特征入手,结合工业设计美学设计出具有中国元素的汽车车轮,用UG三维软件建立模型,并用有限元法分析结构,进行优化设计,得到理想模型。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。毕业设计是我作为一名学生即将完成学业的最后一份综和性作业,不仅是对前面所学知识的一种检验,而且也是对自己能力的一种提高。也是对所学专业学知识的全面总结和综合应用,通过这次毕业设计使我明白了光有我们这几年的理论学习是远远不够,更多的是要实践,要去面对实际的工程问题,提出解决方案,去查阅资料,向他人请教、并不断地优化改进,得出趋近理想的成果,才能使我们的理论知识得到进升华,同时学习新的知识、用知识武装自己,做一个真正意义上的技术人才 当时拿到这个课题,脑海中还没有一个思路,一切从零开始。先使用UG软件从建模开始,这个软件也不熟悉,建模过程中边学习软件边建立模型,严格按照设计指导书的要求,还有参考国家标准的汽车轮辋规格,在强度分析过程中查阅了大量资料,国目前对这部分的研究也是没有绝对权威的资料,主要涉及到一些高校师生的期刊论文,也有基于实践的