镁合金车轮疲劳寿命预测与优化设计

论文摘要

车轮是汽车行使系统中重要的安全部件之一,汽车前进的驱动力通过车轮传递,车轮的结构性能对整车的安全性和可靠性有着重要的影响。同时,车轮的外观质量直接影响到汽车的整体形象。镁合金具有比重小、比强度高、外形美观、易回收等优点,近年来得到了广泛的应用。车辆上采用镁合金车轮可以有效的降低能耗、改善整车的加速及制动性能、减小振动和噪声,提高驾乘舒适性和安全性。现有的疲劳寿命预测与优化设计方法大都针对钢和铝合金车轮。由于镁合金与钢、铝合金的疲劳性能差别较大,因此,研究一种适合镁合金车轮的疲劳寿命预测与优化设计方法能实现车轮材料的更新换代、推动镁合金在车轮上的合理应用,具有重要意义。本文运用工业设计理论,将造型设计构思表现的方法与技能应用于镁合金车轮的设计。在UG NX三维设计软件中应用美学原则,按照轮辋的国家标准,构建出镁合金车轮的三维实体模型。分析了车轮承载车辆本身和负载的重量以及在不平路面行驶时产生的冲击和振动载荷,确定车轮的疲劳属于机械变幅疲劳。同时,车轮在设计时,出于安全考虑,一般其设计名义应力都小于材料的屈服极限,属于高周疲劳。因此,本文提出镁合金车轮的疲劳类型为机械高周变幅疲劳。对镁合金车轮进行疲劳分析的最终目的,就是要确定疲劳寿命。本文结合镁合金车轮的疲劳类型为机械高周变幅疲劳的特点,在ANSYS软件中,按照中国汽车行业标准中的汽车轻合金车轮的性能要求和实验方法所规定的疲劳实验要求确定边界条件和施加荷载,进行求解。根据强度分析确定危险点的应力值,采用名义应力法对镁合金车轮进行疲劳寿命预测。结果显示,镁合金车轮的疲劳寿命满足设计要求,但疲劳强度储备较大,车轮的减重效果不明显,存在进一步优化的潜力和必要。所以接着在ANSYS中,以轮辋和轮辐的厚度为设计变量、车轮的重量为目标函数、镁合金的弯曲疲劳强度为约束条件,进行了优化设计。结果表明:经过优化设计后,车轮的重量比原设计减轻了22%,疲劳寿命仍能满足设计要求。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 车轮疲劳寿命研究现状
• 1.2.2 车轮结构优化设计研究现状
• 1.3 镁合金特点及在汽车车轮上的应用
• 1.3.1 镁合金的力学性能与特点
• 1.3.2 镁合金在汽车车轮上的应用
• 1.3.3 镁合金车轮的优点
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 镁合金车轮结构造型设计
• 2.1 UG NX软件介绍
• 2.2 镁合金车轮的设计要求及方法
• 2.2.1 设计要求
• 2.2.2 设计方法
• 2.3 镁合金车轮结构造型设计
• 2.3.1 车轮结构造型设计的美学基础
• 2.3.2 镁合金车轮结构造型设计
• 2.4 本章小结
• 3 镁合金车轮疲劳寿命预测方法的确定
• 3.1 疲劳和疲劳寿命
• 3.1.1 疲劳的定义
• 3.1.2 疲劳破坏的特征
• 3.1.3 疲劳的分类
• 3.1.4 疲劳寿命
• 3.2 镁合金车轮疲劳类型与疲劳分析方法的确定
• 3.2.1 材料的S-N、P-S-N曲线及疲劳损伤
• 3.2.2 影响结构疲劳的主要因素
• 3.2.3 镁合金车轮疲劳类型与疲劳分析方法的确定
• 3.3 疲劳寿命预测方法
• 3.3.1 镁合金车轮疲劳寿命预测方法的确定
• 3.3.2 疲劳累积损伤理论
• 3.4 本章小结
• 4 镁合金车轮疲劳寿命预测
• 4.1 有限元分析基础理论及软件
• 4.1.1 有限元分析的基础理论
• 4.1.2 ANSYS软件特点
• 4.2 车轮的弯曲疲劳实验
• 4.2.1 实验样品
• 4.2.2 实验设备
• 4.2.3 实验的准备工作
• 4.2.4 实验载荷和弯矩的确定
• 4.2.5 车轮失效判定标准
• 4.3 镁合金车轮的有限元建模
• 4.3.1 车轮几何模型的简化
• 4.3.2 车轮几何模型的网格划分
• 4.3.3 镁合金材料属性
• 4.3.4 车轮的约束分析
• 4.3.5 车轮的载荷分析
• 4.3.6 车轮的有限元求解结果
• 4.4 名义应力法预测车轮疲劳寿命
• 4.5 本章小结
• 5 镁合金车轮的优化设计
• 5.1 优化的概述
• 5.2 优化的基本概念
• 5.2.1 设计变量
• 5.2.2 状态变量
• 5.2.3 目标函数
• 5.2.4 设计系列
• 5.2.5 合理与不合理设计
• 5.2.6 分析文件
• 5.2.7 迭代和循环
• 5.2.8 优化数据库
• 5.3 优化设计的步骤
• 5.3.1 生成分析文件
• 5.3.2 建立优化过程中的参数
• 5.3.3 进入优化处理器，指定分析文件
• 5.3.4 声明优化变量
• 5.3.5 选择优化工具或优化方法
• 5.3.6 指定优化循环控制方式
• 5.3.7 进行优化分析
• 5.4 优化问题的数学模型
• 5.4.1 优化问题的数学模型
• 5.4.2 优化设计的基本解法
• 5.4.3 优化设计的收敛准则
• 5.5 镁合金车轮的优化设计
• 5.5.1 车轮优化的设计变量
• 5.5.2 车轮优化设计的目标函数
• 5.5.3 车轮优化设计的约束条件
• 5.5.4 车轮优化设计的基本流程
• 5.6 车轮的优化设计结果和分析
• 5.6.1 目标函数的优化结果
• 5.6.2 设计变量的优化结果
• 5.6.3 车轮优化结果分析
• 5.7 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录