车辆工程毕业设计论文-基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计(编辑修改稿)

车辆工程毕业设计论文-基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计(编辑修改稿)内容摘要：

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 和 为基本工具，在 完成车轮结构强度分析前 在 Design Study模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 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[。 主要研究内容 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 Pro/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。 6 第 2 章 车轮 三维模型的建立 Pro/E 软件 基础 Pro/Engineer 操作 软件 是美国参数技术公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件。 Pro/Engineer 软件以参数化著称，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， Pro/Engineer作为当今世界机 CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。 是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。 Pro/E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。 Pro/E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。 Pro/E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 Pro/E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） Pro/Engineer 是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的 CAD/CAM 系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， NC（数控）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， 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[。 车轮 Pro/E 模型的建立 车轮构造 、种类及装配 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 和表 所示。 图 整体式车轮构造 ]3[ 8 表 整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 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 所示。 （ 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： ① 两片式车轮：由轮辋和轮辐结合起来的结构 ，如图 ； ② 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。 ③ 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 整体式 图 两片式 9 图 三片式 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 和表 所示。 图 车轮装配关系 表 车轮装配关系 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 车轮三维模型建立 过程 轮辋三维模型的创建 10 轮辋与轮胎结合部分的尺寸由国标（ GB T348720xx）规定。 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 5176。 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 和表 所示。 图 轮辋 J 型轮廓 (用于直径代号 14~26) ]4[ 表 轮辋 J 型轮廓尺寸 ]4[ 单位为毫米 轮辋轮廓 A nPmi min1P L(量规 ) maxM 3J J213 4J J214 5J J215 6J Pro/e 建模过程如下 ： （ 1） 进入 pro/e 草绘，进行轮辋轮廓草绘 如图 所示。 11 图 轮辋轮廓草绘 （ 2） 对轮辋轮廓进行完善草绘 如图 所示。 图 完善轮辋轮廓草绘 （ 3） 运用旋转命令，建立轮辋三维模型 如图 所示。 12 图 用旋转建立轮辋三维模型 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 Pro/E扫描混合建立轮辐的模型。 （ 1） 草绘扫描轨迹 如图 所示。 图 草绘扫描轨迹 （ 2） 选择扫描混合指令，草绘截面 如图 、图 所示。 13 图 草绘截面 a 图 草绘截面 b （ 3） 完全扫描混合，建立轮 辐模型 如图 所示。 14 图 完成扫描混合 （ 4） 选取阵列，建立其他轮辐模型 如图 所示。 图 用阵列建立其他轮辐模型 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 所示。 图 完成车轮模型建立 本章小结 本章 研究 了 Pro/E 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 GB/T 3487—20xx， 根据本设计中车轮的具体型号、 参数 ，运用 Pro/e 进行车轮三维模型的建立。 阐述了使用 Pro/E软件进行车轮造型设 计的 具体 流程。 16 第 3 章 车轮强度静态分析 ANSYS 软件 基础 ANSYS 软件 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 ANSYS 开发，它能与多数CAD 软件接口 ，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－ DEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAE工具之一。 CAE的技术种类有很多，其中包括 有限元法 (FEM,即 Finite Element Method),边界元法 (BEM,即 Boundary Element Method)，有限差法 (FDM,即 Finite Difference Element Method)等。 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。 ANSYS 有限元 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 PC， SGI，HP， SUN， DEC， IBM， CRAY 等 ]5[。 17 Pro/E 与 ANSYS 的接口创建 通过对 Pro/e 与 ANSYS 接口的创建可以很好的将 Pro/e 软件与 ANSYS 软件连接起来，避免了用其他方式将 Pro/e 模型导入 ANSYS 中是出现的一系列问题。 点击开始 所 有 程序 UtilitesCAD configuration Manager 如图 所示， 在跳出的对话框中 workbench and ANSYS Geometry Interfaces 和 ICEM CFD Direct CAD Interfaces 打上勾，选择右边的 pro/engineer,如图 所示。 点击 NEXT在出现的对话框中输入 pro/e的安装目录和 pro/e 的启 动文件 ，如图 所示。 点击 NEXT，在 出现的对话框中，点击 Display Configuration Log File然后再点击 Configure Selected CAD 所示，完成设置。 图 CAD Configuration Manager 图 CAD Selection 图 Pro/Engineer 设置窗口 18 图 CAD Configuration 打开 Pro/e 软件， 在其主页面 菜单栏 中会显示 ANSYS。 表示接口创建 成功。 车轮几何模型的简化 为了节省仿真计算时间和计算量， 将车。