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1、本科学生毕业设计基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计院系名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程07-1班 学生姓名： 沈维梁 指导教师： 石美玉 职 称： 教授 黑 龙 江 工 程 学 院二一一年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeBased on Finite Element Analysis Design of Car Alloy WheelsCandidate：Shen WeiliangSpecialty：Vehicle EngineeringClass：B07-1Supervisor：Prof. Shi MeiyuHeilon
2、gjiang Institute of Technology2011-06Harbin摘 要轻量化是世界汽车工业发展的主要趋势，轻质材料铝及其合金等的使用是一种有效的途径。目前，大部分汽车车轮已使用铝及其合金做作为材料，利用现代设计方法，在此基础上进一步实现车轮的轻量化则是本文的研究所在。在研究了CAD软件Pro /E以及有限元分析软件ANSYS的功能及其主要特点后，着重进行了了应用ANSYS对铝合金车轮进行结构强度分析的具体过程。首先使用Pro/E软件，按照轮辋的国家标准，建构车轮的实体模型;然后把模型导入ANSYS，按2005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
3、疲劳实验要求施加荷载;然后进行强度分析和模态分析，分析结果表明，车轮的最大应力远小于铝合金的许用应力，车轮的固有频率满足要求，存在进一步改进的可能和必要。最后，改进车轮模型，改进结果表明，车轮的重量有了显著的减少。利用CAE分析技术有助于提高汽车车轮的设计水平、缩短设计周期、减少开发成本。该方法具有普遍性，适用于指导任何其言型号车轮的设计和分析。关键词：铝合金车轮；结构设计；有限元分析；强度分析；模态分析ABSTRACTLightweight is the main trends of the worlds automotive industry, lightweight materials
4、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
5、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 s
6、tandards, building wheel solid model; then the model into ANSYS, by 2005 Chinas auto industry standard in automotive light-alloy wheels and performance requirements and test methods under the fatigue test requirements defined load and then the strength analysis and the results showed that the wheel
7、is much less than the maximum stress allowable stress of aluminum alloy, there is further improvement possible and necessary. Then, the improved wheel models, improved results show that the weight of the wheels have been significantly reduced. The results show that the use of CAE analysis technology
8、 helps improve the design of automobile wheel level, shorten design cycles, reduce development costs. The method is universal, applicable to any of his words and models to guide the design and analysis of the wheel.Key words: Aluminum Alloy Wheels; Structural Design; Finite Element Analysis; Strengt
9、h Analysis; Modal AnalysisIII目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1课题研究的目的意义11.2铝合金车轮行业现状及发展趋势11.2.1铝合金车轮的发展及其现状11.2.2铝合金车轮的发展趋势31.3国内外研究方法41.4主要研究内容5第2章 车轮三维模型的建立62.1 Pro/E软件基础62.2车轮Pro/E模型的建立72.2.1车轮构造、种类及装配72.2.2 车轮三维模型建立过程92.3 本章小结15第 3 章 车轮强度静态分析163.1 ANSYS软件基础163.2 Pro/E与ANSYS的接口创建173.3车轮几何模型的简化183.4 A35
10、6的材料特性183.5边界条件的处理183.6载荷的处理193.7车轮弯曲疲劳试验有限元模型213.8静力分析结果及数据分析253.9本章小结29第 4 章 车轮的模态分析304.1 模态分析定义304.2 模态分析的步骤304.3 结果分析314.3.1 不考虑速度影响的自由振动计算结果314.3.2 不考虑速度影响的约束振动计算结果354.4 本章小结40第5章 车轮结构的改进415.1车轮结构改进415.2车轮改进后的前后对比415.3本章小结54结 论55参考文献56致 谢57附 录A ANSYS分析程序58附A1车轮受离心力作用ANSYS分析程序58附A2车轮受弯矩作用ANSYS分析
11、程序58附A3车轮受螺栓预紧力作用ANSYS分析程序59附A4改进前模型自由振动模态分析程序66附A5改进前模型约束振动模态分析程序70附A6改进后模型自由振动模态分析程序74附A7改进后模型约束振动模态分析程序78第1章 绪论1.1课题研究的目的意义实现汽车轻量化，提高燃油经济性，是汽车节能的最有效途径之一。汽车减轻自重，不仅可减小汽车的行驶阻力，降低油耗，还有利于改善汽车的转向、加速、制动等性能，有利于降低噪声、减轻振动，为实现大功率创造条件。同时轻量化带来的低油耗，使汽车的废气排放减少，对环境的污染程度也减小。汽车轻量化有两大途径：一是采用轻量化材料，例如采用超高强度钢板，铝合金、镁合金
12、等轻质材料代替传统的钢铁材料；一是优化、更改汽车的结构，缩小零部件尺寸，最大限度地减轻零部件的质量。全球汽车工业越来越注重汽车的轻量化，表现在铝及其合金在汽车材料中所占的比重越来越大。铝的比重是铁的1/3，具有良好的导热、导电性能，其机械加工性能比铁高4.5倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性；铝的铸造工业性能也比较好，可以获得薄壁复杂铸件。现代轿车日益广泛使用铝材，已经成为一种趋势，例如轿车轮圈就是一个最明显的例子，80年代初，大部分轿车还是使用钢质轮圈，而今绝大部分轿车都是用铝合金轮圈了。本课题借助CAD软件Pro/E，有限元分析软件ANSYS作为虚拟样机工具对给定的铝合金车轮进行
13、强度分析，在保证强度和可靠性的前提下，对车轮进行优化，以进一步减少车轮质量，降低成本。1.2铝合金车轮行业现状及发展趋势1.2.1铝合金车轮的发展及其现状长时期内，钢制车轮在车轮制造业中占主导地位，随着科学技术的发展与进步，对车辆安全、环保、节能的要求日趋严格，铝合金车轮以其美观、质轻、节能、散热好、耐腐蚀、加工性能好等特点，逐步取代钢制车轮。铝合金车轮的出现到如今渐渐替代钢制车轮是一个漫长的发展阶段。在20世纪初，一些热衷于赛车的爱好者，为了能使车辆更轻以提高赛车速度，想方设法对车辆各零部件作轻量化的改进，其中车轮是重点减轻的主要对象。1923年，Bugatti公司大胆地将砂型铸造的铝合金车
14、轮装上了赛车，加世纪30年代联邦德国汽车联合会、拜尔(BMW)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毂与铝制扎制轮辋相结合的车轮装上汽车，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，重要集中在铝合金车轮的材质和成形工艺方面，但由于车轮的特殊安全要求，仍未能实施批量生产。直至20世纪50年代末，联邦德国还只能少量地生产铝合金车轮。1970年末，拜尔发动机公司率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，开始了铸造铝合金车轮批
15、量用于轿车的新局面。日本铝合金车轮工业是在1970年后至1984年之间快速发展起来的，在1984年的年产量达640万件。意大利在1979年曾生产150万件。到1980年，西欧共生产700多万件铝合金车轮(其中50%是铸造铝合金车轮)，并以年产6%7%的速度递增。1988年，美国生产的车辆中，铝合金车轮已作为好几种车型的系列部件，Pontiac SE车型的Grand Prix车更是采用了涂装彩色条带状的铝合金车轮。通用汽车公司生产的Gorvette车和另外两种Grand Prix车型也采用了铝合金车轮;Pontiao Fiero的一种新车采用了表面为黑色的铝合金车轮;Dodge Dynasty车
16、也把花边式样的铝合金车轮装了上去。同年，福特公司在Merkur Scorprio轿车上也装上了铝合金车轮，并把铝合金车轮定为公司系列的标准件。20世纪80年代初，美国原装轿车铝合金车轮装车率大约4%一5%，如今已超过40%。而日本目前轿车铝合金车轮装车率超过45%，欧洲国家超过50%。我国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，国营洪都机械厂将砂型铸造的铝合金车轮装在边三轮摩托车上，但是数量很少，未形成气候。到加世纪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有限公司，其规模和设备都进入了世界先进行列。加世纪90年代初，在广东出现了既生产汽车，又生产摩托车铝
17、合金车轮的南海中南铝合金轮毂有限公司，这两个生产厂的生产设备都已达到国际水平。但这段时期，因国内汽车和摩托车对铝合金车轮的装车欲望还很低，钢圈仍占据着绝对统治市场的地位。随着我国公路设施的飞速发展，这两个企业也分别在汽车、摩托车行业中积极地宣传，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般出现，蔓延至全国。2002年，我国轿车的铝合金车轮装车率已接近45%;摩托车的铝合金车轮装车率已逾50%。综上所述，不难看出，铝合金车轮是现代车辆轻量化、高速化、现代化的必然产物。1.2.2铝合金车轮的发展趋势车轮规格方面，汽车的高速化迫使车轮朝“三化”(扁平化、子午线化、无
18、内胎化)迅猛发展。国外轿车车轮己日趋大直径、宽轮辋发展的格局，原来多见的1213in的小直径轮已越来越少，有逐步被淘汰的趋势，目前主流是15x7in以上的规格，并逐步朝1719ni大直径宽轮辋发展，甚至己出现2026in的车轮大直径车轮与轮胎组合，比小直径车轮与轮胎组合更显现代、霸气和时髦。由于直径大、轮辋宽，使轮胎与地面的接触面积更大，从而增加了汽车与地面的附着力，使汽车的操纵性能更好，提高了汽车的安全性。但是大直径、宽轮辋也会产生使轮胎磨损加快的不利影响。结构方面，基本上以整体铸造的铝合金车轮为主，除特殊场合装用二片式和三片式的复合车轮，如为了减小车轮质量，提高强度，采用锻造钢轮辋和铸造铝
19、合金轮辐组装式工艺生产的车轮;或为了降低车轮噪声，提高汽车操纵稳定性在轮辐和轮辋之间加上特殊橡胶结合件等。外观方面，作为象征整车档次之一的车轮外观，在点缀整车的时尚化作用中越来越向着艺术化方向发展，多变的车轮轮辐形态和迷人的色泽越来越为人们所关注。车轮由单调的辐条式、辐板式向着带空间曲面和弧形面状态，甚至由中心对称演变成中心不对称的图案，另外对车轮与整车的匹配和色泽的协调、表面处理(全涂亚光色、抛光轮、电镀轮、真空镀膜轮等)要求也日益提高。材料方面，有向镁合金车轮发展的趋势，许多学者正研究使镁合金能适应大量生产的工艺和设备。镁具有质量轻(密度1.8kg/m3，是铝的2/3，铁的1/4)、比强度
20、大、尺寸稳定、抗变形、机械加工性能好、吸收振动性能好的特点，有利于提高整车运行速度，降低能耗，承受较高冲击载荷，此外镁在地球上储量相当丰富，占金属的第8位，还可以从海水中无限量地提取，综合来说镁能在各方面很好的满足人类各方面的要求。但是这类铸件的试验条件非常严格和气密性要求高，成品率低，生产成本高。此外，有人在不断探索降低半凝固铸造温度的新材料途径，甚至已有人在尝试镶嵌式的中空复合轮(即在车轮中衬嵌一种高强度的轻质骨材，让铝液填充时将骨材全部包住)，来进一步提高轻量化效果，而且可获得比铝合金车轮更佳的比强度和弹性模量。1.3国内外研究方法结构的优化设计产生于20世纪60年代，到90年代，许多新
21、的概念如遗传算法、形状优化、拓扑优化等被应用到结构优化过程中，其中利用有限元方法进行优化分析是一种常规的选择。因为它不仅能处理大范围的结构类型，而且它在可选择的分析类型中是一种可利用的最通用的方法。它不只限于结构问题，也能应用到能用偏微分方程表示的任何问题中。结构优化研究历程中，出现过以直觉的满应力为设计准则的准则法和以数学规划为理论支柱的规划法。这两种方法互相融合，演变成序列近似概念和相应的序列近似规划法，在结构尺寸优化中获得很大的成功，序列二次规划就是这样一种重要方法，许多通用的结构优化软件也以此方法为基础。我国结构优化设计的研究和应用在80年代中后期发展起来，迄今已取得一定的成绩，部分高
22、等院校和科研院所根据不同的条件和需要，自主开发了一批通用的结构优化软件和专用软件。例如大连理工大学、北京农业工程大学及北京航空航天大学等单位开发的多单元、多工况、多约束结构优化程序DDDU，计算机辅助结构优化程序系统MCADS和MAS等，这些系统适用于汽车及其零部件、飞机部件、火车部件等结构的优化设计。近年来由于汽车工业的迅猛发展，对汽车各零部件的优化成为研究的热点，如车身、车架、车轴、发动机活塞、制动器等结构的优化。国内对车轮结构优化方面的研究尚少，东风汽车有限公司的翁运忠、轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的崔青玲等人对车车轮结构优化设计进行了初步研究，他们运用有限元软件SDRC/I-DE
23、AS、ANSYS对两种不同形态结构的车轮进行结构强度分析通过受力状态的比较证明其中一种设计更为合理。哈尔滨工业大学的崔胜民、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MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN为基本工具，在完成车轮结构强度分
24、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H.Akbulut，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。1.4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
25、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。第2章 车轮三维模型的建立2.1 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/
26、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
27、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/Engi
28、neer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，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。2.2车轮Pro/E模型的建立2.2.1车轮构造、种
29、类及装配1、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2.1和表2.1所示。图2.1 整体式车轮构
30、造表2.1 整体式车轮各部分名称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182、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2.2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：两片式车轮：由轮辋和轮辐结合起来的结构，如图2.3；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2.4;辐条式车轮：轮辋与中央轮盘部件，通过很多辐条实
31、现连结的车轮结构。图2.2 整体式图2.3 两片式图2.4 三片式3、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2.5和表2.2所示。图2.5 车轮装配关系表2.2 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2.2.2 车轮三维模型建立过程1、轮辋三维模型的创建轮辋与轮胎结合部分的尺寸由国标（GB T3487-2005）规定。常见的形式主要有
32、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5深槽轮辋J型轮廓。轮辋规格为6J15。轮辋标定直径为380.2mm。其轮廓和尺寸如图2.6和表2.3所示。图2.6 轮辋J型轮廓(用于直径代号1426) 表2.2 轮辋J型轮廓尺寸 单位为毫米轮辋轮廓AL(量规)3J76.013.015.016.028.089.015.017.019.034.04J101.515.017.019.045.0114.519.519.522.045.05J127.019.519.522.045.0140.019.519.522.045.06J152.519.519.522.045.0P
33、ro/e建模过程如下：（1） 进入pro/e草绘，进行轮辋轮廓草绘如图2.7所示。图2.7 轮辋轮廓草绘（2）对轮辋轮廓进行完善草绘如图2.8所示。图2.8 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2.9所示。图2.9 用旋转建立轮辋三维模型2、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2.10所示。图2.10 草绘扫描轨迹（2）选择扫描混合指令，草绘截面如图2.11、图2.12所示。图2.11 草绘截面a图2.12 草绘截面b（3）完全扫描混合，建立轮辐模型如图2.13所示。图2
34、.13 完成扫描混合（4）选取阵列，建立其他轮辐模型如图2.14所示。图2.14 用阵列建立其他轮辐模型（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2.15所示。图2.15 完成车轮模型建立2.3 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 34872005，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。第 3 章 车轮强度静态分析3.1 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。
35、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, IDEAS, 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
36、、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
37、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。3.2 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
38、ansys12.1UtilitesCAD configuration Manager如图3.1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3.2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3.3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 Interfaces.如图3.4所示，完
39、成设置。图3.1 CAD Configuration Manager图3.2 CAD Selection图3.3 Pro/Engineer设置窗口图3.4 CAD Configuration打开Pro/e软件，在其主页面菜单栏中会显示ANSYS 12.1。 表示接口创建成功。3.3车轮几何模型的简化为了节省仿真计算时间和计算量，将车轮模型导入ANSYS进行分析前应该对车轮模型进行简化，去掉对受力影响不大的装修圆角，槽，气门孔等，以避免计算时间过长。3.4 A356的材料特性车轮材料为A356（ZALSi7Mg），相当于国内的ZL101，它是铝硅镁系列三元合金。铝合金A356有着良好的铸造性能，
40、流动性高，无热裂倾向，线收缩小，气密性高，适合于车轮如此复杂结构的成型；同时它也具有相当高的耐腐蚀性且可经过热处理强化，合金淬火后有自然时效能力，因而具有较高的强度和塑性，满足车轮高强度和刚度的性能要求。3.5边界条件的处理合理确定有限元模型的边界条件是成功进行有限元分析的基本要求。必须在保证消除刚体位移的前提下，尽可能使约束符合实际情况。通常建模对象的边界条件是明确的，根据分析对象的几何模型边界条件可以很容易确定其力学的边界位置和边界条件。由车轮动态弯曲疲劳试验设备及其原理图,如图3.5可见，车轮轮缘通过夹具固定在试验旋转台上，而车轮毂部的五个紧固使车轮安装盘与加载轴紧密相连。因此车轮轮缘的
41、三个平移自由度，和两个旋转自由度都受到约束，只允许绕车轮中心轴的转动自由度存在。图3.5车轮动态弯曲疲劳试验装置示意图3.6载荷的处理本设计中选择的参考车辆为宝来1.6L。其主要参数如下：最大功率：74KW，最大功率转速：6000r/min，最大扭矩：145Nm，整备质量：1305kg，轮胎规格：195/65R15，轮辋规格：6J15，偏距：+38，PCD：5H100。试验中车轮所受到应力有弯曲疲劳试验工况下产生的结构应力和车轮在制造过程(如铸造、机加工、热处理等)中产生的残余应力。车轮铸造中往往会产生疏松、针孔等缺陷，它们在一定程度上影响了材料的属性及其疲劳强度，机加工过程的进刀量和进刀速度
42、等工艺也会在车轮上留下残余应力，热处理过程有着消除残余应力的作用，但是这些残余应力受众多因素影响，难以在有限元仿真中进行定量分析，因此我们只考虑试验工况下车轮结构应力的作用。在动态弯曲疲劳试验工况下，车轮承受载荷来源有三个，轮毂紧固螺栓产生的预紧力、车轮高速旋转时产生的离心力和试验弯矩载荷。这三个载荷可以通过相关的设计参数及试验参数求得。表3.1、3.2分别为车轮的设计参数及试验参数。表3.1 车轮的设计参数产品规格设计载荷静载荷半径R偏距d安全系数S6J15326.25kg253.5mm38mm21)试验弯矩车轮所受的弯矩M，其大小由式3-1确定： （3.1）图4.16 车轮第8阶振型4.4
43、 本章小结本章首先建立车轮的模态分析有限元模型，然后运用分块Lanczos法对轿车铝合金车轮进行了模态计算。在0-10000Hz范围内共提取了自由振动的前14阶模态和约束振动的前8阶模态。车轮约束振动下，一阶模态固有频率值为629.75Hz，而四缸汽油发动机转速区间一般为0-6000rpm，频率区间为0-200Hz，远小于车轮的固有频率，所以不会发生共振。第5章 车轮结构的改进5.1车轮结构改进从上面的分析可以看出来，车轮受到的应力远小于车轮的许用应力，存在改进的必要。改进主要是缩减材料的厚度，以达到轻量化的目的。所以，对车轮模型进行改进，减少了车轮的厚度。改进后的模型如图5.1所示。图5.1
44、改进后的车轮模型改进前的车轮体积为0.003341501m，重量为8.99Kg，改进后的车轮体积为0.00277255m，重量为7.46Kg，重量下降了17%。5.2车轮改进后的前后对比1、对改进后的车轮进行静态强度分析分析结果如图5.2所示。图5.2 改进后的车轮应力分布通过分析，得到以下结论：（1）车轮所受最大应力为255Mpa，位于螺母座附近，主要是由螺栓预紧力产生的，受试验转速及加载弯矩影响较小，改变弯矩，该节点应力值变化不大。结构的疲劳强度取决于循环周期内的应力变化大小，因此，尽管螺母座区域应力值大，但它不会是疲劳破坏区域。（2）轮辋的应力同时受弯矩和转速的影响，但该处应力值小，变化
45、量也小，介于0.35MPa56.7MPa之间。在试验过程中不可能发生强度或疲劳破坏，是安全区域。（3）两轮辐夹角处及轮辐与安装盘的交接处应力同时受弯矩和转速的影响,应力值介于56.7MPa142MPa之间，改变试验转速及试验弯矩，该处的应力值有较大的变化。轮辐上的应力受转速及弯矩影响变化较小。轮辐于轮辋交接处应力大小受转速的影响而改变。但变化较小。所以，在车轮动态试验过程中，两轮辐夹角处及轮辐与安装盘的交接处和螺栓孔附近是疲劳裂纹最容易出现的区域。分析显示，改进后的车轮强度符合要求，且应力分布更均匀，材料利用更合理。2、对改进后的车轮进行模态分析（1）不考虑速度影响(速度v=0)情况下车轮自由振动各阶固有频率的相应振型图和节点位移图分布，分别如图5.3至图5.16所示。车轮自由振动各阶频率值与相应的振型描述如表5.1所示。前6阶频率接近0，为刚体模态，可以忽略。通过表5.1，经比较可以发现，第7和8阶、第9和10阶和第12和13阶的频率值都非常接近，并且振型相似，只是振动的方向不同。观察振动方向可以发现，其振动方式表现为正交性。我们可以将这几组相邻子步的频率值看成是振动方程解的重根。表5.1车轮各阶频率值阶数频率值Hz10.000020.000030.13744E-0340.27374E-0350.50377E-0360.84169E-037440.348