【正文】 紀 80 年代初，國營洪都機械廠將砂型鑄造的鋁合金車輪裝在邊三輪摩托車上，但是數(shù)量很少，未形成氣候。Dodge Dynasty車也把花邊式樣的鋁合金車輪裝了上去。到 1980 年，西歐共生產(chǎn) 700多萬件鋁合金車輪 (其中 50%是 鑄造鋁合金車輪 )，并以年產(chǎn) 6%~7%的速度遞增。直至20 世紀 50 年代末，聯(lián)邦德國還只能少量地生產(chǎn)鋁合金車輪。在 20 世紀初，一些熱衷于賽車的愛好者，為了能使車輛更輕以提高賽車速度，想方設法對車輛各零部件作輕量化的改進，其中車輪 2 是重點減輕的主要對象?，F(xiàn)代轎車日益廣泛使用鋁材，已經(jīng)成為一種趨勢，例如轎車輪圈就是一個最明顯的例子， 80 年代初，大部分轎車還是使用鋼質(zhì)輪圈，而今絕大部分轎車都 是用鋁合金輪圈了。同時輕量化帶來的低油耗，使汽車的廢氣排放減少，對環(huán)境的污染程度也減小。 Finite Element Analysis。s automotive industry, lightweight materials such as the use of aluminum and its alloys is an effective way. At present, most automotive aluminum and its alloy wheels have been used to do as a material, using modern design methods, based on the further realization of this lightweight wheels is the Institute of this article. In the study of the CAD software Pro / E and ANSYS finite element analysis software functions and the main characteristics, the Emphasis was the application of ANSYS, the structural strength of aluminum alloy wheel analysis of the specific process. First ， uses the Pro / E software, according to the rim of the national standards, building wheel solid model。最 后， 改進 車輪模型， 改進 結(jié)果表明，車輪的重量有了顯著的減少。 在研究 了 CAD 軟件 Pro /E 以及有限元分析軟件 ANSYS 的功能及其主要特點 后，著重 進行了 了應用 ANSYS 對鋁合金車輪進行結(jié)構強度分析 的具體過程。 本科學生畢業(yè) 設計 基于有限元分析的轎車鋁合金車輪設計 院系 名稱： 汽車與交通工程學院 專業(yè)班級： 車輛工程 學生姓名： 指導教師： 職 稱： 教授 The Graduation Design for Bachelor39。 首先 使用 Pro/E軟件，按照輪 輞 的國家標準，建構車輪的實體模型 。 利 用 CAE分析技術有助于提高汽車車輪的設計水平、縮短設計周期、減少開發(fā)成本。 then the model into ANSYS, by 20xx China39。 Strength Analysis。汽車輕量化有兩大途徑：一是采用輕量化材料，例如采用超高強 度鋼板，鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵材料；一是優(yōu)化、更改汽車的結(jié)構，縮小零部件尺寸，最大限度地減輕零部件的質(zhì)量。本課題借助 CAD 軟件 Pro/E，有限元分析軟件ANSYS 作為虛擬樣機工具對給定的鋁合金車輪進行強度分析，在保證強度和可靠性的前提下，對車輪進行優(yōu)化，以進一步減少車輪質(zhì)量，降低成本。 1923 年， Bugatti公司大膽地將砂型鑄造的鋁合金車輪裝上了賽車，加世紀 30 年代聯(lián)邦德國汽車聯(lián)合會、拜爾 (BMW)發(fā)動機公司及戴姆勒一奔馳汽車公司，正式將鋼制輻條式輪轂與鋁制扎制輪輞相結(jié)合的車輪裝上汽車，為鋁合金車輪的發(fā)展奠定了基礎。 1970 年末，拜爾發(fā)動機公司率先將鑄造鋁合金車輪作為特殊部件裝到了 20xx 型轎車上， 1972 年又在雙門小轎車上成批裝上了鑄造鋁合金車輪，開始了鑄造鋁合金車輪批量用于轎車的新局面。 1988年，美國生產(chǎn)的車輛中，鋁合金車輪已作為好幾種車型的系列部件， Pontiac SE 車型的 Grand Prix 車更是采用了涂裝彩色條帶狀的鋁合金車輪。同年，福特公司在 Merkur Scorprio 轎車上也裝上了鋁合金車輪，并把鋁合金車輪定為公 司系列的標準件。到加世紀 80 年代末，我國出現(xiàn)了第一個具有現(xiàn)代規(guī)模的戴卡輪轂制造有限公司，其規(guī)模和設備都進入了世界先進行列。 20xx 年，我國轎 3 車的鋁合金車輪裝車率已接近 45%。國外轎車車輪己日趨大直徑、寬輪輞發(fā)展的格局，原來多見的 12~13in 的小直徑輪已越來越少，有逐步被淘汰的趨勢，目前主流是 15x7in以上的規(guī)格，并逐步朝 17~19ni 大直徑寬輪輞發(fā)展，甚至己出現(xiàn) 20~26in 的車 輪 大直徑車輪與輪胎組合，比小直徑車輪與輪胎組合更顯現(xiàn)代、霸氣和時髦?；驗榱私档蛙囕喸肼?，提高汽車操縱穩(wěn)定性在輪輻和輪 輞 之間加上特殊橡膠結(jié)合件等。鎂具有質(zhì)量輕 (密度 ，是鋁的 2/3，鐵的 1/4)、比強度大、尺寸穩(wěn)定、抗變形、機械加工性能好、吸收振動性能好的特點，有利于提高整車運行速度，降低能耗，承受較高沖擊載荷，此外鎂在地球上儲量相當 豐 富，占金屬的第 8位，還可以從海水 中 無限量地提取，綜合來說鎂能在各方面很好的滿足人類各方面的要求。因為它不僅能處理大范圍的結(jié)構類型，而且它在可選擇的分析類型中是一 種可利用的最通用的方法。 我國結(jié)構優(yōu)化設計的研究和應用在 80 年代中后期發(fā)展起來，迄今已取得一定的成績，部分高等院校和科研院所根據(jù)不同的條件和需要，自主開發(fā)了一批通用的結(jié)構優(yōu)化軟件和專用軟件。哈爾濱工業(yè)大學的崔勝民、楊占春采用獨立的優(yōu)化程序和有限元程序分別進行車輪形狀優(yōu)化設計和仿真分析。他們以輪 輞 和輪輻的厚度為設計變量，以結(jié)構總體質(zhì)量最輕為優(yōu)化目標進行優(yōu)化。 （ 2） 對車輪結(jié)構彎曲疲勞試驗的進行靜力分析，研究試驗工況下車輪結(jié)構應力分布規(guī)律及螺栓預緊力、旋轉(zhuǎn)離心力和試驗彎矩三種 載荷對車輪結(jié)構強度的影響。 Pro/Engineer 軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位， Pro/Engineer作為當今世界機 CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。 Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設計。 2． 基于 特征建模 Pro/E是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。換言之，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上。 車輪 Pro/E 模型的建立 車輪構造 、種類及裝配 車輪構造 車輪與輪胎是汽車行駛系統(tǒng)中的重要部件 ,通過車輪與輪胎直接與地面接觸 ,在道路上行駛。輪轂通過滾動軸承支承在車橋或轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸上。 圖 整體式車輪構造 ]3[ 8 表 整體式車輪各部分名稱 ]3[ 1 輪輞寬度 10 螺栓孔節(jié)圓直徑 2 輪輞名義直徑 11 螺栓孔直徑 3 輪緣 12 輪輻安裝面 4 胎圈座 13 安裝面直徑 5 凸峰 14 后距 6 槽底 15 輪輻 7 氣門孔 16 輪輞 8 偏距 17 輪輞中心線 9 中心孔 18 車輪的種類 按 輪輞和輪輻結(jié)合形式的不同，車輪可分為如下結(jié)構，其代表型結(jié)構 如下 ： （ 1） 整體式：輪輻和輪輞是由一個整體組成的，如圖 所示 。 圖 車輪裝配關系 表 車輪裝配關系 1 車輪輪輞與輪胎之間的裝配 2 車輪與裝飾釘之間的裝配 3 車輪與剎車鉗之間的裝配 4 車輪安裝面與車軸之間的裝配 5 車輪螺栓孔與螺母之間的裝配 6 車輪螺栓孔與車軸之間的裝配 7 車輪與裝飾蓋之間的裝配 8 車輪中心孔 與車軸之間的裝配 9 車輪氣門孔與氣門嘴之間的裝配 10 車輪與平衡塊之間的裝配 車輪三維模型建立 過程 輪輞三維模型的創(chuàng)建 10 輪輞與輪胎結(jié)合部分的尺寸由國標（ GB T348720xx）規(guī)定。輪輞規(guī)格為 6J15。 11 圖 輪輞輪廓草繪 （ 2） 對輪輞輪廓進行完善草繪 如圖 所示 。 （ 1） 草繪掃描軌跡 如圖 所示 。 圖 用陣列建立其他輪輻模型 15 （ 5） 對輪輻進行修飾，建立安裝盤，螺栓孔，氣門嘴等 ，完成車輪模型建立 如圖 所示 。 16 第 3 章 車輪強度靜態(tài)分析 ANSYS 軟件 基礎 ANSYS 軟件 是融結(jié)構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用 有限元分析軟件 。 ANSYS 有限元 軟件 包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結(jié)構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。 分析計算模塊包括結(jié)構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力 。 17 Pro/E 與 ANSYS 的接口創(chuàng)建 通過對 Pro/e 與 ANSYS 接口的創(chuàng)建可以很好的將 Pro/e 軟件與 ANSYS 軟件連接起來，避免了用其他方式將 Pro/e 模型導入 ANSYS 中是出現(xiàn)的一系列問題。 圖 CAD Configuration Manager 圖 CAD Selection 圖 Pro/Engineer 設置窗口 18 圖 CAD Configuration 打開 Pro/e 軟件， 在其主頁面 菜單欄 中會顯示 ANSYS 。鋁合金 A356 有著良好的鑄造性能，流動性高，無熱裂傾向，線收縮小， 氣密性高，適合于車輪如此復雜結(jié)構的成型；同時它也具有相當高的耐腐蝕性且 可經(jīng)過熱處理強化，合金淬火后有自然時效能力，因而具有較高的強度和塑 性， 滿足車輪高強度和剛度的性能要求。由車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗設備及其原理圖 ,如 圖 可見，車輪輪緣通過夾具固定在試驗旋轉(zhuǎn)臺上，而車輪 轂 部的五個緊固使車輪安裝盤與加載軸緊密相連。 m，整備質(zhì)量：1305kg，輪胎規(guī)格： 195/65R15，輪輞規(guī)格： 6J 15，偏距： +38， PCD： 5H 100。這三個載荷可以通過相關的設計參數(shù)及試驗參數(shù)求得。 本課題所研究的車輪參數(shù)為 ： R=， W =, μ=， d=38， S=2 代人數(shù)值 可求得： M=1378Nm 要求壽命 h 6J15 1378 1700 110 20xx00 在有 限元模型中，載荷是加在加載軸端，加載軸長度 L=。其摩擦系數(shù) f 為 。 前 處理主要是建立有限元分析模型，定義元素類型、材料屬性、幾何屬性 最后劃分網(wǎng)格 ，形成結(jié)構的有限元模型。 材料屬性即鋁合金的物理屬性。 泊松比： 0. 33。 定義元素類型，依次展開Main MenuPreprocessorElement TypesAdd/Edit/Delete 命令，出現(xiàn)如圖 所示的Element Types 的對話框。在右側(cè)列表框中依次選擇 StructuralLinearElasticIsotropic 命令。網(wǎng)格劃分又分為自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格。然后對幾何體中的彎曲近似區(qū)域的線進行細化。 圖 施加約束后的車輪模型 靜力分析結(jié)果及數(shù)據(jù)分析 車輪彎曲疲 勞試驗工況下有三種載荷同時作用于車輪，本文首先研究這三種載荷各自對車輪結(jié)構強度的影響。有限元進行結(jié)構分析一般用的是位移法，即首先求出節(jié)點位移，然后按幾何關系直接確定各單元應變。最大應力為 ，位于 輻條與輪輞的連接處；兩輻條中間應力也較大，在 ~ 之間 ；輪輻上應力值最小。兩輻條之間的應力也較大，在 ~ 之間。結(jié) 構的疲勞強度取決于循環(huán)周期內(nèi)的應力變化大小，因此，盡管螺母座區(qū)域應力值大，但它不會是疲勞破壞區(qū)域。輪輻于輪輞交接處應力大小受轉(zhuǎn)速的影響而改變。主要研究了 以 下幾方面的內(nèi)容： （ 1）分析車輪在彎曲疲勞試驗中的受載情況。 （ 3）恒定的試驗轉(zhuǎn)速下結(jié)構產(chǎn)生離心力，且分布均勻，不隨旋轉(zhuǎn)彎矩的 變化而變化。 30 第 4 章 車輪 的模態(tài)分析 模態(tài)分析定義 模態(tài)分析用于確定設計結(jié)構或機器