铝合金车轮的结构分析及优化

论文摘要

本文简述了国内外汽车产品的发展及现状,剖析了目前汽车车轮的发展状况。在深入分析了铝合金车轮性能的基础上,以降低耗油率、减轻材料重量和提高车轮的使用寿命为宗旨,提出对铝合金车轮的设计和产品性能试验评价与验证问题的研究。本文基于几种车型的铝合金车轮的产品开发,探讨如何在产品设计期间提高设计质量方法和评价依据,以便生产出车轮产品能顺利通过台架试验。论文结合研究课题,较深入地对三维设计、有限元理论与方法以及优化设计原理等进行了理论与软件应用分析。利用有限元分析软件ANSYS的功能和它的开放式结构以及ANSYS的主要特点,本文应用ANSYS软件环境,着重研究在铝合金车轮产品设计期间如何更有效地进行结构强度分析、优化设计以及寿命评价等具体问题。由于实际车轮承载工况复杂等特点,基于一般车辆动力学建模方法往往误差较大,本文铝合金车轮有限元分析模型采用了基于车轮试验台架载荷原理进行模型构建,车轮按照轮辋的国家标准而构建,而载荷是根据1997年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实验载荷进行施加,以实现在车轮产品设计开发期的系列分析更支撑实物产品的试验。采用三维设计软件CATIA完成铝合金车轮几何建模,在ANSYS软件中对车轮进行了强度分析、优化设计等工作。对原设计产品分析计算结果表明：最大应力值远小于铝合金车轮的需用盈利,强度储备很大,造成了材料的浪费,分别对轮辋和轮辐的厚度等变量进行优化设计,并分析疲劳寿命。结果表明：在不增加车轮最大应力值的情况下,优化后的铝合金车轮的应力分布更加合理,充分利用了材料,减轻了重量,降低了成本。对所研究铝合金产品进行了台架试验,表明：本文理论设计研究方法较好地支撑试验结果,利于铝合金车轮产品的质量提高,缩短新品研发周期。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 铝合金在现代汽车中的应用
• 1.1.1 汽车的轻量化发展趋势
• 1.1.2 铝合金的应用
• 1.2 铝合金在现代汽车中的应用
• 1.2.1 国内外铝合金车轮的发展概况及前景展望
• 1.2.2 铝合金车轮的优点
• 1.3 汽车产品设计方法概述
• 1.4 本课题的研究意义、内容与方法
• 1.4.1 本课题的意义
• 1.4.2 本课题的研究内容与方法
• 第2章 有限单元法和ANSYS软件
• 2.1 有限元法的发展应用
• 2.2 有限单元法简介
• 2.2.1 有限单元法的基本概念及原理
• 2.2.2 有限单元法的一般程序结构
• 2.2.3 有限元法求解特点与分析流程
• 2.3 有限元分析软件ANSYS
• 2.3.1 ANSYS的发展
• 2.3.2 用户界面
• 2.3.3 图形
• 2.3.4 处理器
• 2.3.5 数据库
• 2.3.6 文件格式
• 2.3.7 程序的可用性
• 2.4 ANSYS软件的主要功能
• 2.4.1 建立几何实体模型
• 2.5 有限单元法在汽车车轮优化设计中的应用
• 第3章 铝合金车轮的几何实体造型
• 3.1. CATIA概述
• 3.1.1 装配设计（ASS）
• 3.1.2 CATIA特征设计模块（FEA）
• 3.2 车轮的实体造型
• 3.2.1 车轮构造及造型要点
• 3.2.2 车轮数模绘制
• 第4章 铝合金车轮的有限元强度分析
• 4.1 车轮结构强度分析的意义和进展
• 4.2 车轮有限元模型的建立
• 4.2.1 车轮模型的单元划分
• 4.2.2 车轮材料属性
• 4.2.3 车轮约束与载荷
• 4.3 车轮的有限元求解结果分析
• 第5章 铝合金车轮的优化设计及疲劳寿命分析
• 5.1 ANSYS优化概述
• 5.1.1 基本概念
• 5.1.2 优化设计的步骤
• 5.2 优化问题的数学模型
• 5.2.1 优化问题的数学模型
• 5.2.2 优化问题的几何解释
• 5.2.3 优化设计的基本解法
• 5.2.4 优化设计的收敛准则
• 5.3 车轮结构优化的数学模型
• 5.3.1 目标函数
• 5.3.2 设计变量
• 5.3.3 约束条件
• 5.3.4 优化设计的基本流程
• 5.4 车轮优化分析结果
• 5.4.1 目标函数的结果分析
• 5.5 车轮疲劳寿命分析
• 5.5.1 材料的应力寿命曲线
• 5.5.2 疲劳累积损伤理论
• 5.5.3 车轮疲劳寿命分析
• 第6章 铝合金车轮的台架试验
• 6.1 铝合金车轮的试验环境
• 6.2 试验方法与流程
• 6.3 试验结果分析
• 第7章 结论及展望
• 参考文献
• 致谢