基于UG的“鳳舞”汽車輪轂三維建模及有限元應(yīng)力分析畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目：基于ug的“鳳舞”汽車輪轂 三維建模及有限元應(yīng)力分析 院（系）別： 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 級(jí) 別： 2008 學(xué) 號(hào)： 0811113026 姓 名： 林 飛 指導(dǎo) 老師： 黃致建 華僑大學(xué)教務(wù)處2012年6月摘 要現(xiàn)今的汽車車輪設(shè)計(jì)是汽車造型設(shè)計(jì)中一個(gè)不可遺漏的重點(diǎn)，車輪不僅要滿足承重、通風(fēng)（制動(dòng)器散熱）的需要，而且車輪造型直接關(guān)系著汽車車身設(shè)計(jì)的品位和檔次。因此，如何進(jìn)行車輪的造型設(shè)計(jì)，如何設(shè)計(jì)出有風(fēng)格特色和審美情趣的車輪已成為車輪制造廠和設(shè)計(jì)者們最關(guān)心的問(wèn)題，眼下越來(lái)越多的新技術(shù)正逐漸被應(yīng)用到車輪的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)上來(lái)。輪轂是車輛行駛系的主要

2、部件之一，是汽車與地面之間的傳力元件，起著承載、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等作用。近年來(lái)，隨著車速的提高，輪轂的性能成為直接影響汽車制動(dòng)安全性、操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等重要指標(biāo)的關(guān)鍵因素美國(guó)一份關(guān)于卡車事故的研究報(bào)告指出：在1588 起事故中，有33 .5是“車輪、軸承和輪胎”組件的失效所造成的，其中輪轂緊固件又占了很大的比額。事故原因歸于輪轂的部分是如此之大，因此就有必要對(duì)輪轂的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行研究。 本課題通過(guò)對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)文化的研究，歸納輪轂造型設(shè)計(jì)的要素，原則及其方法；并將其融合到汽車輪轂的造型設(shè)計(jì)中，從汽車造型的基本特征入手，結(jié)合視知覺(jué)心理學(xué)及工業(yè)設(shè)計(jì)美學(xué)，融入中國(guó)傳統(tǒng)文化元素，進(jìn)行具有中國(guó)特色的輪

3、轂造型設(shè)計(jì)；運(yùn)用ug三維建模及有限元分析技術(shù),分析結(jié)構(gòu)，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，以期設(shè)計(jì)出造型與結(jié)構(gòu)一體化的具有中國(guó)特色的汽車輪轂。本課題主要研究課題如下： 1.模擬車輪徑向疲勞試驗(yàn)，確定合適的載荷及邊界條件。2.模擬車輪彎曲疲勞試驗(yàn)，確定合適的載荷及邊界條件。綜上所述，本課題對(duì)車輪的造型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析方面進(jìn)行了研究，為設(shè)計(jì)出具有中國(guó)特色的輪轂并檢驗(yàn)其性能提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：中國(guó)元素 ug 有限元 疲勞仿真abstract the modern automobile wheel design is a missing focus in automotive design , the whee

4、l not only to meet the needs of load-bearing , ventilation (brake cooling), and the wheel shape is directly related to the quality and grade of the car body design . therefore, how the design of the wheel , how to design a unique style and aesthetic appeal of the wheel has a wheel manufacturing plan

5、t, and the designers are most concerned about , and now more and more new technologies are gradually being applied to the design of the wheel up and development .wheel vehicle department one of the main components of the force transfer between the components in the car with the ground, and plays a r

6、ole in carrying, steering, drive, brake. in recent years, as the speed increases, the performance of the wheel has become the key factor of a direct impact on automotive braking safety, handling and stability, an important indicator of driving and ride comfort. the study reported that the u.s. with

7、a truck accident: in the 1588 accident, 33.5% is caused by the failure of the wheels, bearings and tire components, wheel fasteners accounted for a large scale . the cause of the accident is attributed to the part of the wheel is so large, so it is necessary to study the strength and stiffness of th

8、e wheelthis issue through the study of traditional chinese culture , summed up the wheel design elements , principles and methods ; and integrated into the design of the car wheels , starting from the basic characteristics of the automotive styling,combined with the visual perception psychology and

9、industrial design aesthetics, into the elements of traditional chinese culture with chinese characteristics for the wheel designing ; using ug three-dimensional modeling and finite element analysis technology to analyze the structure, conducting simulation experiments in order to design the car whee

10、ls.with the integration of style and structure with chinese characteristics,.the main subject of research topics are as follows:1. analog wheel radial fatigue tests to determine the appropriate load and boundary conditions .2. analog wheel bending fatigue test to determine the appropriate load and b

11、oundary conditions. in summary, the wheel shape structure design and stress analysis of the structure, the subject of study for the design of the wheels with chinese characteristics and provides a basis to test its performance.keywords : chinese elements ug finite element fatigue simulation 目 錄第一章 緒

12、論11.1課題的研究目的和意義11.2國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)21.3研究?jī)?nèi)容61.3.1研究?jī)?nèi)容61.3.2. 課題創(chuàng)新點(diǎn)6第二章 理論基礎(chǔ)與軟件介紹72.1有限元法原理72.1.1有限元法概述72.1.2 彈性力學(xué)基本方程72.2.3結(jié)構(gòu)有限元分析過(guò)程82.2 ug nx軟件簡(jiǎn)介102.3本章小結(jié)11第三章 鳳舞汽車輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)123.1鳳舞汽車輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)123.1.1整體造型123.1.2輪輞123.1.3輪輻153.2 汽車輪轂?zāi)Ｐ偷慕?63.3本章小結(jié)17第四章 鳳舞汽車輪轂的徑向疲勞分析184.1 ug nx7.5靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析184.2車輪徑向疲勞試驗(yàn)194.2.1車輪徑

13、向疲勞試驗(yàn)簡(jiǎn)介194.2.2車輪徑向載荷計(jì)算204.3 鳳舞汽車輪轂徑向疲勞仿真過(guò)程214.3.1材料參數(shù)214.3.2網(wǎng)格劃分214.3.3載荷和約束224.4輪轂有限元結(jié)構(gòu)結(jié)果分析244.5本章小結(jié)29第五章 鳳舞汽車輪轂的彎曲疲勞分析305.1車輪彎曲疲勞試驗(yàn)305.1.1車輪彎曲疲勞試驗(yàn)簡(jiǎn)介305.1.2車輪彎曲載荷計(jì)算315.2車輪彎曲疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?15.2.1建立車輪彎曲疲勞試驗(yàn)幾何模型315.2.2建立車輪彎曲疲勞試驗(yàn)有限元模型315.2.3施加邊界條件及載荷325.3求解計(jì)算及結(jié)果分析335.4本章小結(jié)37第六章 結(jié)論與展望386.1主要結(jié)論386.2工作展望38參考文獻(xiàn)

14、40致謝42附錄：鳳舞汽車輪轂cad圖43第一章 緒論1.1課題的研究目的和意義 本課題研究的目的是：（1）學(xué)習(xí)和掌握ug軟件的3d建模、有限元分析功能；（2）針對(duì)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，完成其3d幾何建模、網(wǎng)格劃分、強(qiáng)度分析，熟悉 ug軟件的相關(guān)功能；（3）綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)，獨(dú)立完成工程結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度分析。本課題研究從汽車造型的基本特征入手，結(jié)合視知覺(jué)心理學(xué)及工業(yè)設(shè)計(jì)美學(xué)，融入中國(guó)傳統(tǒng)文化元素，進(jìn)行具有中國(guó)特色的輪轂造型設(shè)計(jì)；利用ug三維軟件建立模型，并用有限元法分析結(jié)構(gòu)，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，旨在設(shè)計(jì)出造型與結(jié)構(gòu)一體化的具有中國(guó)特色的汽車輪轂。在科技高速發(fā)展的今天，汽車工業(yè)已經(jīng)成為了當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主要支柱

15、產(chǎn)業(yè)之一，隨著人們生活質(zhì)量的提高，轎車成為了人們生活的一部分。據(jù) 2010 年汽車銷量排行榜，上海通用以 1038988 輛的銷售量取得了銷售量冠軍，同比增長(zhǎng)達(dá)到了 42.8%，其中別克品牌全年銷量 550014 輛，同比增長(zhǎng) 23%，雪佛蘭品牌全年銷量471575輛，增幅為73%，凱迪拉克品牌銷售17366輛，同比增長(zhǎng)139%，另外上海大眾也突破了百萬(wàn)輛銷售記錄，成為國(guó)內(nèi)第二家產(chǎn)銷突破百萬(wàn)輛的汽車企業(yè)，于此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的民族品牌吉利和長(zhǎng)城也都有良好的銷售，分別同比增長(zhǎng) 22%和 98%，隨著汽車銷售量的劇增，車輪的需求也在不斷提高，提供高質(zhì)量低成本的車輪對(duì)車輪廠提出了更高的要求。汽車行業(yè)的飛速

16、發(fā)展，在給人們帶來(lái)便利的同時(shí)，也造成了一些問(wèn)題，例如能源、安全和環(huán)境等。車輛在減少能源消耗方面，減輕整車重量是一個(gè)有效途徑，但是，整車輕量化的同時(shí)，可能對(duì)汽車的安全造成影響，因此有必要在保證汽車強(qiáng)度和剛度符合要求的前提下，對(duì)汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。車輪的主要功能是與輪胎一起支撐整車、緩解路面給車體帶來(lái)的沖擊力，同時(shí)車輪通過(guò)輪胎同輪眉間的摩擦力來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)產(chǎn)生平衡離心力的側(cè)抗力，為了保證汽車正常轉(zhuǎn)向行駛，通過(guò)車輪產(chǎn)生的自動(dòng)回正力矩，使汽車保持直線行駛方向?？萍嫉牟粩噙M(jìn)步，車輪形式呈多樣化發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越注重汽車的外觀、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，這就使得汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，同時(shí)給汽

17、車生產(chǎn)商提出越來(lái)越多的要求，車輪作為汽車上的主要零部件也需要不斷地提高性能。目前，車輪生產(chǎn)商在保證車輪強(qiáng)度和剛度的情況下，盡力使車輪朝著輕量化和美觀化的方向發(fā)展，無(wú)論是從客戶還是從生產(chǎn)商來(lái)講都是意義重大的，現(xiàn)在車輪企業(yè)已經(jīng)使用有限元技術(shù)來(lái)指導(dǎo)車輪的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程【1】。本課題通過(guò)對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)文化的研究，歸納輪轂造型設(shè)計(jì)的要素，原則及其方法；并將其融合到汽車輪轂的造型設(shè)計(jì)中，運(yùn)用ug三維建模及有限元分析技術(shù)使其不僅做到結(jié)構(gòu)輕量化同時(shí)又滿足人們對(duì)審美的需求，以期為汽車輪轂造型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供好的方法。1.2國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 車輪和汽車的發(fā)明、改進(jìn)，使人類的交通運(yùn)輸發(fā)生了革命性的改變，對(duì)人類

18、文明產(chǎn)生了極為重要的影響。車輪的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程：最早的汽車車輪繼承于馬車，密密麻麻的輻條是這個(gè)時(shí)期車輪的主要特點(diǎn)，而且這個(gè)時(shí)期的車輪輪轂、輪輞的概念都是非常明確的，并不像現(xiàn)在我們所說(shuō)的車輪這樣包括了輪胎和車軸之間的整個(gè)部分。輪輞是指緊貼胎唇的部分，輪轂是指套在車軸外層的部分，輻條呈放射狀由輪轂發(fā)散到輪輞。輪輞、輪轂、輻條，三者是可分離的，并不是一體的。隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)的發(fā)展，在19世紀(jì)末20世紀(jì)初的這段時(shí)間，輪輞、輪轂、輻條開(kāi)始通過(guò)鑄造工藝合為一體。此后不久，隨著輪胎工藝的發(fā)展，我們非常熟悉的鋼（鐵）車輪出現(xiàn)了，后來(lái)愛(ài)美的人們發(fā)明了一個(gè)東西叫車輪蓋，一般用塑料制成，蓋在鋼車輪外層

19、。車輪蓋開(kāi)始是為了“遮丑”。 現(xiàn)在，鋁合金車輪成為主流【2】。車輪是車輛承載的重要安全部件,對(duì)它的安全性要求很高。它除了受正壓力外, 還承受因車輛啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)扭矩的交互作用, 以及行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)彎、沖擊等來(lái)自各個(gè)方向的不規(guī)則受力。車輪在高速旋轉(zhuǎn)中, 還影響車輛的平穩(wěn)性、操作性等性能。當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)的汽車設(shè)計(jì)，一是考慮它的安全性，；二是考慮它的節(jié)能性；三是考慮它的簡(jiǎn)易操作性。特別是現(xiàn)在全球能源緊張，石油價(jià)格不斷攀升，如何降低能源的消耗以及緩解對(duì)環(huán)境的污染已成為汽車設(shè)計(jì)界的主要關(guān)注問(wèn)題。而在降低能耗的一個(gè)關(guān)鍵因素就取決于汽車自身的重量，降低汽車自重一般采用兩種方法，一是在提高材料強(qiáng)度和可靠性的基礎(chǔ)上，

20、利用有限元分析法使汽車結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，使零部件合理化、薄壁化、中空化、小型化等;二是采用輕量化材料。車輪，是汽車的“鞋子”。具體來(lái)講，“鞋底”是車輪胎，“鞋幫兒”則是輪轂。其中輪轂由輪輞和輪輻構(gòu)成。輪轂一方面通過(guò)輪輞與輪胎配合，另一方面通過(guò)輪輻與車橋相連，發(fā)揮其承載、行駛、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)等作用。而其中有資料表明，輪轂質(zhì)量的減輕對(duì)于燃油經(jīng)濟(jì)性的提高效果要比減輕汽車其它部件的質(zhì)量要大的多，而且試驗(yàn)表明，汽車輪轂 (輪輞、輪輻部分)在滿足其使用性能要求的基礎(chǔ)上存在著減輕質(zhì)量的潛力【3】。因此，雖然至今汽車輕金屬材料主要仍是集中用在車身上，但是在轉(zhuǎn)動(dòng)件和振動(dòng)件中的用量也在與日俱增，按質(zhì)量計(jì)，輪轂

21、占首位。盡管我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅速，但與工業(yè)化的汽車強(qiáng)國(guó)相比還存在不少差距，其中之一便是汽車用材與國(guó)外存在一定差距，汽車鋁化率還比較低，以轎車最為突出，一般轎車單車耗鋁量?jī)H為40-50kg左右，隨著世界汽車輕量化進(jìn)程的加快，特別是加入wto后，汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)國(guó)際化日趨激烈，汽車的節(jié)能化、輕量化成為我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展的必要趨勢(shì)。輪轂造型設(shè)計(jì)方法研究 汽車類型不同，所選用的車輪結(jié)構(gòu)也不盡相同，國(guó)際上對(duì)于車輪輪轂造型的設(shè)計(jì)已趨于成熟，每個(gè)國(guó)家在設(shè)計(jì)過(guò)程中都融入了自己的民族文化特色。也是西方國(guó)家在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持不敗的一大籌碼【4】。而我國(guó)在這一領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面嚴(yán)重不足，具有中國(guó)特色的車輪設(shè)計(jì)幾乎沒(méi)有

22、，即使是國(guó)產(chǎn)汽車的車輪也大多延用國(guó)外的造型。因而有必要結(jié)合設(shè)計(jì)美學(xué)，人機(jī)工程學(xué)及中國(guó)傳統(tǒng)文化元素，開(kāi)展汽車輪轂的造型設(shè)計(jì)研究，創(chuàng)造出具有中國(guó)民族特色以及自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。2005年美籍華人,汽車資深設(shè)計(jì)師陳聰仁談?wù)撝袊?guó)的汽車設(shè)計(jì)時(shí)提出了中國(guó)汽車設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)本土特色的觀點(diǎn)【5】。2007年王謙在art panorama上發(fā)表的論文中總結(jié)了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外汽車造型的現(xiàn)狀，認(rèn)為現(xiàn)在我國(guó)的汽車造型設(shè)計(jì)不但要學(xué)習(xí)西方經(jīng)驗(yàn)而且要堅(jiān)持自己的特色，將中華民族傳統(tǒng)文化融入潮流從而煥發(fā)出新的光彩【6】。2008年孫利在包裝工程上發(fā)表的論文中論述了汽車輪轂造型本土化設(shè)計(jì)的4種方法。對(duì)提高中國(guó)輪轂造型的本土化設(shè)計(jì)水平，拓

23、展中國(guó)汽車輪轂的國(guó)際市場(chǎng)具有重要意義和影響【7】。2009年南京華舜輪轂有限公司/陸斌等在mc現(xiàn)代零部件上發(fā)表的論文中介紹了現(xiàn)有的一些時(shí)尚車輪設(shè)計(jì)【8】，讓我們?cè)诟袊@輪轂設(shè)計(jì)的多姿多彩的同時(shí)，也在深思中國(guó)汽車設(shè)計(jì)的未來(lái)。同期的湖南科技大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)系的王沈策等發(fā)表的論文中分析了汽車造型與中國(guó)傳統(tǒng)文化的關(guān)聯(lián)性。提出了如何利用工業(yè)設(shè)計(jì)中的感性工程學(xué)的系統(tǒng)理論來(lái)設(shè)計(jì)汽車的外觀造型【9】。這也為我們?cè)谲囕喸煨驮O(shè)計(jì)過(guò)程中融入中國(guó)傳統(tǒng)藝術(shù)文化提供了借鑒。有限元法的研究 國(guó)際上對(duì)車輪性能和結(jié)構(gòu)的研究最初都只是采用經(jīng)驗(yàn)類比的方法，然后按材料力學(xué)公式進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸開(kāi)始使用應(yīng)變電測(cè)技

24、術(shù)、脆漆法對(duì)車輪進(jìn)行試驗(yàn)。除此之外人們還采用了疲勞試驗(yàn)、道路試驗(yàn)、應(yīng)力測(cè)試方法對(duì)車輪進(jìn)行測(cè)試。雖然這些方法均真實(shí)可靠，但是只能對(duì)已生產(chǎn)出來(lái)的的車輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，而且得不到車輪整體應(yīng)力分布規(guī)律，無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入細(xì)致的研究，因此不能實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段就對(duì)車輪結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，不能解決車輪設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題【10】【13】。二十世紀(jì)七十年代開(kāi)始，有限元法的出現(xiàn)為機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究提供了強(qiáng)有力的分析工具，特別是隨著計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展，cad技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及有限元軟件的出現(xiàn)使人們開(kāi)始嘗試用有限元方法研究車輪結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)際上的許多車輪生產(chǎn)廠商、供應(yīng)商，如hayes lemmerz interna

25、tional、accuride corporation及american eagle wheel corporation等，都已經(jīng)廣泛采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)cad（computer aided design）軟件如pro/engineerug等實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)，并運(yùn)用如:mac、ansys等計(jì)算機(jī)輔助工程軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核、壽命分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。這不僅大大的縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期，而且有效的保證了產(chǎn)品的使用性能，提高了產(chǎn)品的使用壽命，使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)能力【14】【16】。然而，從目前整個(gè)車輪行業(yè)來(lái)看，我國(guó)車輪設(shè)計(jì)研究工作的方法和手段都比較落后。絕大多數(shù)的車輪廠商仍然沿用傳統(tǒng)

26、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)車輪進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，為了了解車輪的結(jié)構(gòu)性能，大多數(shù)廠商采用試驗(yàn)法，即在車輪設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來(lái)以后，也要進(jìn)行架試驗(yàn)和路試。這樣不僅浪費(fèi)大量人力物力，而且延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期，難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，特別是不能在設(shè)計(jì)階段就對(duì)車輪進(jìn)行精確的計(jì)算和預(yù)測(cè)。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在運(yùn)用有限元方法進(jìn)行車輪設(shè)計(jì)方面取得了許多有意義的成果。2000年u.kocabicak在engineering failure analysis上發(fā)表的論文中以某型號(hào)客車車輪為研究對(duì)象，模擬彎曲疲勞試驗(yàn)時(shí)車輪所受的載荷及約束情況，運(yùn)用有限元分析軟件分析了車輪在疲勞試驗(yàn)中出現(xiàn)的最大應(yīng)力值以及危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)的位置，并與車輪彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)

27、行對(duì)比驗(yàn)證該分析的可靠性【17】。2003年m.carboni,s.beretta,a.finzi在engineering failure analysis發(fā)表的論文中以貨車車輪為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元軟件對(duì)車輪進(jìn)行疲勞壽命分析，并分析了由于生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的瑕疵對(duì)車輪疲勞壽命的影響情況，及針對(duì)這些情況對(duì)車輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)【18】。2006年p.ramamurty raju,b.satyanarayana,k.ramji 和k.suresh babu在engineering failure analysis上發(fā)表的論文中以某型號(hào)鋁合金車輪為研究對(duì)象，模擬車輪徑向疲勞試驗(yàn)時(shí)施加的載荷及邊界條件，

28、運(yùn)用有限元軟件對(duì)車輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并根據(jù)車輪材料的s-n曲線運(yùn)用疲勞壽命理論對(duì)車輪進(jìn)行疲勞壽命分析并與實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比【19】。2003年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張斌在其碩士學(xué)位論文中以14x6jj鋁合金車輪為研究對(duì)象，運(yùn)用snsys軟件對(duì)該型號(hào)車輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析、變幅載荷下車輪有限壽命疲勞設(shè)計(jì)、局部應(yīng)力應(yīng)變法預(yù)測(cè)車輪疲勞壽命，并運(yùn)用可靠度理論，對(duì)預(yù)測(cè)得到的車輪壽命進(jìn)行可靠度計(jì)算，得出兩種方法預(yù)測(cè)車輪的疲勞壽命均為可信的結(jié)論【20】。2007年廣西大學(xué)的韋傾在其碩士論文中以三件式裝載機(jī)車用輪輞為研究對(duì)象，運(yùn)用ug對(duì)車輪輪輞進(jìn)行建模并導(dǎo)進(jìn)ansys軟件中進(jìn)行疲勞分析及進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文中提出了存在

29、接觸的三件式裝載機(jī)車輪的疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑⑻岢隽藦较蚱谠囼?yàn)試驗(yàn)的模擬方式以及對(duì)進(jìn)行分析【21】。有限元法在汽車工程中的應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)中，一些結(jié)構(gòu)件的工作條件比較惡劣，有些長(zhǎng)期在滿載、振動(dòng)與沖擊載荷下工作。尋求有關(guān)這些結(jié)構(gòu)件正確而可靠的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法，是提高汽車的工作性能以及可靠性與壽命的主要途徑之一對(duì)汽車的各個(gè)主要結(jié)構(gòu)樣進(jìn)行分析，是研究其可靠性、尋求最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的主要手段。汽車的結(jié)構(gòu)由于其本身結(jié)構(gòu)形狀的多樣，復(fù)雜性以及載荷系統(tǒng)的惡劣復(fù)雜性使以往采用經(jīng)典力學(xué)的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)往往帶有局限性在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。為了能夠計(jì)算，往往采用較多的假設(shè)和簡(jiǎn)化，計(jì)算模

30、型只能構(gòu)造得非常簡(jiǎn)單，與實(shí)際的結(jié)構(gòu)形狀相差很大，所以計(jì)算是粗糙的、不很精確的，而一些結(jié)構(gòu)件甚至采用常規(guī)方法根本無(wú)法計(jì)算，這些都影響了汽車工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。帶有大的貯存容量的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，標(biāo)志了以分析驗(yàn)證為基礎(chǔ)的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)革命的開(kāi)始，而1970 年美國(guó)nastran 軟件的引入，則表明了這一時(shí)期的起點(diǎn)，該軟件代表了一種新的計(jì)算功能，它是一個(gè)面向用戶的通用的有限元結(jié)構(gòu)分析程序。有限單元法的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是可以求解結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都相當(dāng)任意的力學(xué)問(wèn)題。所以有限元法出現(xiàn)后，立即就應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)的計(jì)算之中，成為一種可靠的新的理論計(jì)算方法。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，有限單元法已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（cad

31、）中的一部分，滲透到了每一輛汽車的設(shè)計(jì)計(jì)算中。汽車結(jié)構(gòu)有限元分析的應(yīng)用體現(xiàn)在：一是對(duì)所有結(jié)構(gòu)件、主要機(jī)械零部件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性分析，有限單元法是一種不可替代的工具；二是在汽車結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（cad ）、優(yōu)化設(shè)計(jì)中，有限單元法作為結(jié)構(gòu)分析的工具，己成為其中主要組成部分。三是應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析中，使用有限單元法進(jìn)行各構(gòu)件的模態(tài)分析，同時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀形象地再現(xiàn)各構(gòu)件的振動(dòng)模態(tài)，進(jìn)一步計(jì)算出各構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較真實(shí)地描繪出動(dòng)態(tài)過(guò)程，為構(gòu)件的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供方便有效的工具。有限單元法除了廣泛應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)分析外，還可應(yīng)用于車身內(nèi)的聲學(xué)設(shè)計(jì)、汽車的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算、汽車碰撞和被動(dòng)安全性計(jì)算等

32、。通過(guò)上述可以看到，有限單元法的應(yīng)用范圍極為廣泛，有非常強(qiáng)的實(shí)用性：而且概念淺顯，易于掌握。但它也有不足之處，如對(duì)一個(gè)特殊問(wèn)題只能求得一個(gè)具體的數(shù)值結(jié)果，而不能求得一般的閉合形式解，后者能讓我們研究分析不同參數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)的反應(yīng)和影響。又如，為了構(gòu)造一個(gè)好的有限元計(jì)算模型需要經(jīng)驗(yàn)和判斷等等。當(dāng)然這些缺點(diǎn)并不影響有限單元法在工程技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時(shí)要注愈，有限單元法是一種近似的數(shù)值計(jì)算方法，如果將試驗(yàn)測(cè)試與之相結(jié)合，則可取長(zhǎng)補(bǔ)短，較好地解決設(shè)計(jì)問(wèn)題【22】?？偨Y(jié)：從國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)中可以看出我國(guó)汽車輪轂設(shè)計(jì)中的不足之處。國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)自主研發(fā)能力較弱，具有中國(guó)特色的汽車還不夠成熟，如何兼顧

33、外觀造型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決其一體化且具民族特色的車輪產(chǎn)品，是我們當(dāng)前需要去解決的問(wèn)題。1.3研究?jī)?nèi)容1.3.1研究?jī)?nèi)容本課題的主要研究?jī)?nèi)容為：（1）查閱輪轂的相關(guān)知識(shí)，結(jié)合中國(guó)元素繪制“鳳舞”的cad工程圖；（2）運(yùn)用ug，完成車輪輪轂的幾何模型，建立輪轂?zāi)Ｐ停唬?）完成車輪徑向疲勞試驗(yàn)仿真和彎曲疲勞試驗(yàn)仿真，研究在徑向疲勞載荷和彎曲疲勞載荷下的應(yīng)力狀態(tài)及位移量狀態(tài)；（4）完成結(jié)果分析；1.3.2. 課題創(chuàng)新點(diǎn)本課題在研究中的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：（1） 采用施加扇形載荷的方法，分析輪轂的受力的變化情況。（2） 徑向疲勞試驗(yàn)仿真時(shí)使用分開(kāi)建模，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分時(shí)，輪輞與輪輻之間的金字塔單元的鏈接。（3）

34、 彎曲疲勞分析時(shí)采用試驗(yàn)軸加載方式對(duì)輪轂進(jìn)行分析。第二章 理論基礎(chǔ)與軟件介紹2.1有限元法原理2.1.1有限元法概述 有限元法是為了對(duì)某些工程問(wèn)題求得近似解而發(fā)展出來(lái)的一種數(shù)值分析方法，它是將所要分析連續(xù)場(chǎng)分割為很多較小的區(qū)域（稱為單元或元素），這些單元的集合體就代表原來(lái)的場(chǎng)，然后建立每個(gè)單元的有關(guān)特性關(guān)系式，再組合起來(lái)就能求得相應(yīng)場(chǎng)問(wèn)題的解答。這是一種從部分到整體的方法，分析過(guò)程大為簡(jiǎn)化。從數(shù)學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，有限元法是從變分原理或加權(quán)殘數(shù)法出發(fā)，通過(guò)區(qū)域部分和分片插值，把數(shù)理方程的邊值問(wèn)題化為等價(jià)的一組多元線性代數(shù)方程的求解【26】。有限單元法的起源可以追溯到20世紀(jì)40年代。1943年，庫(kù)蘭

35、特(r.courant)已經(jīng)開(kāi)始嘗試將一系列三角形區(qū)域上定義的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相結(jié)合，來(lái)求解st.venant扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，并且應(yīng)用了“單元”概念。從數(shù)學(xué)角度提出了有限元法的基本觀點(diǎn)。在1945年至1955年間，阿吉里斯(argyris)等人在結(jié)構(gòu)矩陣分析方面的研究有很大的發(fā)展。在1956年，特納(tutner)、克拉夫(clough)等人把剛架位移法的解題思路，推廣應(yīng)用于彈性力學(xué)平面問(wèn)題。他們把連續(xù)體劃分成一個(gè)個(gè)三角形和矩形的單元，單元中位移函數(shù)首先采用了近似表達(dá)式，推導(dǎo)了單元?jiǎng)偠染仃嚕⒘藛卧Y(jié)點(diǎn)位移與結(jié)點(diǎn)力之間的單元?jiǎng)偠确匠?。?960年，克拉夫首次把這種解決彈性力學(xué)問(wèn)題的方法，

36、給予特定的名詞，稱為“有限單元法”。近二十年來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)的高速化和普遍化，有限元繼續(xù)的向更加廣闊、更加深入的方面發(fā)展。有限元法、雜交法、動(dòng)力有限元、非線性有限元、奇異元等，以及各種不同變分原理為基礎(chǔ)的有限單元法相繼而起【23】【26】。2.1.2 彈性力學(xué)基本方程【27】【29】（1）、平衡方程表示某種物理量處于平衡狀態(tài)的方程，其方程式為： (2.1)其中、分別是、方向的體積力。（2）、幾何方程是應(yīng)變分量與位移分量的關(guān)系式，其方程式為： (2.2)其中 、分別是、方向的位移函數(shù)。（3）、物理方程： (2.3)（4）、力邊界條件即給定物體表面上的面力，其方程式為： (2.4)（5）、位移邊

37、界條件即給定物體表面上的位移，其方程式為： (2.5)結(jié)構(gòu)體中任何一個(gè)離散單元的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)均可以用上式(2.1)、(2.2)、 (2.3)三組方程來(lái)進(jìn)行表示。通過(guò)以上三個(gè)方程組并根據(jù)兩個(gè)邊界條件(2.4)、(2.5)，可以用解析方法或者數(shù)值方法求出整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移。2.2.3結(jié)構(gòu)有限元分析過(guò)程 結(jié)構(gòu)有限元分析的過(guò)程大概可分為以下6個(gè)步驟【30】【32】：（1）、結(jié)構(gòu)的離散化結(jié)構(gòu)離散化是將結(jié)構(gòu)物分割成有限個(gè)單元體，并在單元體的指定點(diǎn)設(shè)置結(jié)點(diǎn)，使相鄰單元的有關(guān)參數(shù)具有一定的連續(xù)性，并構(gòu)成個(gè)單元的集合體，以它來(lái)代替原來(lái)的結(jié)構(gòu)，使力學(xué)模型變成離散模型。結(jié)構(gòu)離散化是有限元分析中重要的一步

38、，關(guān)系到有限元分析的計(jì)算精度及效率。（2）、選擇位移模式 位移函數(shù)是指描述單元中各點(diǎn)位移變化規(guī)律的函數(shù)。一般彈性體受力變形后內(nèi)部各點(diǎn)位移變化情況是很復(fù)雜的，但是，在小單元的區(qū)域面，可以假定位移是坐標(biāo)的某種簡(jiǎn)單的函數(shù)(位移模式或插值函數(shù))來(lái)近似，通常采用多項(xiàng)式作為位移模式。位移矩陣為： （2.6） 式中，為單元內(nèi)任一點(diǎn)位移； 為單元結(jié)點(diǎn)位移； 為形函數(shù)。（3）、分析單元的力學(xué)性能 由幾何方程，從（2.6）式導(dǎo)出用結(jié)點(diǎn)位移表示的單元應(yīng)變?yōu)?（2.7） 式中，為單元應(yīng)變矩陣。 由本構(gòu)方程，導(dǎo)出用結(jié)點(diǎn)位移表示的單元應(yīng)力為 （2.8） 式中，為與單元材料有關(guān)的彈性矩陣 由變分原理，建立單元上結(jié)點(diǎn)力與結(jié)點(diǎn)

39、位移間的關(guān)系式平衡方程為： （2.9） 式中，為單元?jiǎng)偠染仃嚕湫问綖?（4）、集合所有單元的平衡方程，建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程組集總體剛度矩陣，由總體剛度矩陣形成的整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程為 （2.10） （5）、求解未知結(jié)點(diǎn)位移和計(jì)算單元應(yīng)力 對(duì)平衡方程進(jìn)行求解，解出未知的節(jié)點(diǎn)位移，然后根據(jù)前面給出的關(guān)系式計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力以及單元的應(yīng)力和應(yīng)變。 （6）、整理并輸出結(jié)果 通過(guò)該步驟可以輸出應(yīng)力、應(yīng)變以及位移等值。 （7）、結(jié)合計(jì)算結(jié)果進(jìn)行一系列后續(xù)分析，得到問(wèn)題的最終分析結(jié)果。 求出結(jié)構(gòu)全部結(jié)點(diǎn)位移后，利用分析過(guò)程中已建立的一些關(guān)系，即可以進(jìn)一步計(jì)算單元中的應(yīng)力或內(nèi)力 ，并以數(shù)表或圖形的方式輸

40、出計(jì)算結(jié)果。依據(jù)這些結(jié)果，就可以進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)，并達(dá)到輸出最終零件工程圖紙的結(jié)果。2.2 ug nx軟件簡(jiǎn)介 ug nx（原名：unigraphics）是一個(gè)由西門子ugs plm軟件開(kāi)發(fā)，集cad/cae/cam于一體的產(chǎn)品生命周期管理軟件。ugs nx支持產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程，從概念（caid），到設(shè)計(jì)（cad），到分析（cae），到制造（cam）的完整流程。 ug從cam發(fā)展而來(lái)。20世紀(jì)70年代，美國(guó)麥道飛機(jī)公司成立了解決自動(dòng)編程系統(tǒng)的數(shù)控小組，后來(lái)發(fā)展成為cad/cam一體化的ug1軟件。90年代被eds公司收并，為通用汽車公司服務(wù)。2007年5月正式被西門子收購(gòu)；因此，ug

41、有著美國(guó)航空和汽車兩大產(chǎn)業(yè)的背景。自u(píng)g 19版以后，此產(chǎn)品更名為nx。nx 是 ugs 新一代數(shù)字化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，它可以通過(guò)過(guò)程變更來(lái)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品革新。nx 獨(dú)特之處是其知識(shí)管理基礎(chǔ)，它使得工程專業(yè)人員能夠推動(dòng)革新以創(chuàng)造出更大的利潤(rùn)。 nx 可以管理生產(chǎn)和系統(tǒng)性能知識(shí)，根據(jù)已知準(zhǔn)則來(lái)確認(rèn)每一設(shè)計(jì)決策。nx 建立在為客戶提供無(wú)與倫比的解決方案的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，這些解決方案可以全面地改善設(shè)計(jì)過(guò)程的效率，削減成本，并縮短進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。nx 使企業(yè)能夠通過(guò)新一代數(shù)字化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)向產(chǎn)品全生命周期管理轉(zhuǎn)型的目標(biāo)。ug nx是一種交互式的設(shè)計(jì)、分析和制造系統(tǒng)，是知識(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先者。它提供

42、了產(chǎn)品從模型的設(shè)計(jì)裝配，運(yùn)動(dòng)仿真，有限元分析到加工制造的整個(gè)生命周期，能極大地提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)效率。ug nx的一大優(yōu)勢(shì)在于將設(shè)計(jì)、分析和制造無(wú)縫集成，避免了因數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化帶來(lái)的種種問(wèn)題。 ugnx在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)首先利用草繪、特征、實(shí)體、曲線曲面等功能創(chuàng)建三維模型，然后進(jìn)行部件裝配，經(jīng)過(guò)高級(jí)仿真模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和結(jié)構(gòu)分析，確定產(chǎn)品的最終結(jié)構(gòu)，最后生成標(biāo)準(zhǔn)圖紙和數(shù)控代碼，進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)加工。利用 ug nx的設(shè)汁流程如圖2.1所示【33】。使用 ugnx進(jìn)行模型設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn):(l)操作界面人性化智能化，在進(jìn)行操作時(shí)，具有自動(dòng)推理功能，能顯著提高設(shè)計(jì)效率。(2) 建模方式靈活。有實(shí)體、曲面曲線，

43、特征等多樣化的參數(shù)化建模方式，可以通過(guò)添加孔，凸臺(tái)，鍵槽等常用特征的方式快速創(chuàng)建模型。此外， ugnx還具有創(chuàng)新型的同步建模方式，可以有效地利用尺寸驅(qū)動(dòng)直接進(jìn)行建模，不需要考慮相關(guān)性和約束，能夠快速捕捉設(shè)計(jì)意圖，極大提高設(shè)計(jì)者的創(chuàng)作空間。同時(shí)，圖2.1 ug nx的設(shè)計(jì)分析流程圖將模型的修改時(shí)間大為縮減，顯著提高設(shè)計(jì)效率。(3)裝配設(shè)計(jì)擁有自上而下和自底而上的定義方式，能夠快速定位部件，可以通過(guò)改變部件間的關(guān)聯(lián)性來(lái)改變部件的裝配關(guān)系。(4)將設(shè)計(jì)、仿真分析和制造進(jìn)行了無(wú)縫集成，使得產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)變得準(zhǔn)確快速。2.3本章小結(jié)本章主要介紹了本論文中用到的主要的理論知識(shí)：介紹有限元法的原理以及結(jié)構(gòu)有

44、限元分析的基本過(guò)程，并對(duì)通用建模分析軟件ug nx進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹；第三章 鳳舞汽車輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1鳳舞汽車輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)汽車輪轂主要由輪輞、輪輻兩部分組成。在輪輻的安裝面上分布有中心孔和螺栓孔。輪轂的主要作用有【34】：(l)支撐整車重量;(2)緩和由路面?zhèn)鱽?lái)的沖擊力;(3)將輪胎同路面間存在的附著作用所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力傳遞給車體;(4)汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)產(chǎn)生平衡離心力的側(cè)抗力，在保證汽車正常轉(zhuǎn)向行駛的同時(shí)，通過(guò)輪轂產(chǎn)生的自動(dòng)回正力矩，使汽車保持直線行駛方向;(5)承擔(dān)越障和提高車輪通過(guò)性。 鳳舞鋁合金汽車輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于滿足顧客需求的功能非常重要，其重要度僅次于材料的重要度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的

45、好壞直接決定著整個(gè)合金汽車輪轂的性能。3.1.1整體造型 輪轂造型分為一件式、兩件式以及三件式等不同類型。兩件式的輪轂是由內(nèi)件和外件通過(guò)焊接或者機(jī)械連接等方式組合而成。三件式的往往是由一個(gè)中心部件和兩個(gè)外圓件組成，各部件之間一般通過(guò)機(jī)械連接的方式組合在一起。本研究所設(shè)計(jì)輪轂采用一件式，即輪輞和輪輻是一個(gè)整體。 3.1.2輪輞輪輞是輪轂上與輪胎直接配合的部分，其尺寸形狀有具體的國(guó)標(biāo)規(guī)定。輪輞的常見(jiàn)類型有深槽輪輞、平底輪輞、對(duì)開(kāi)式輪輞、半深槽輪輞、深槽寬輪輞、平底寬輪輞以及全斜底輪輞。本文所設(shè)計(jì)的輪轂采用整體式的深槽輪輞。這種形式的輪輞截面中間部位是一個(gè)深凹槽，有利于汽車輪胎的拆卸。在兩側(cè)部位是帶

46、有肩部的凸緣，用來(lái)安裝固定外胎的胎圈。這種輪輞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛度較大，且質(zhì)量較小，常用于轎車和小型越野車上。本研究的設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)一款應(yīng)用在轎車上的具有中國(guó)風(fēng)特色的鋁合金汽車輪轂，并對(duì)設(shè)計(jì)出的輪轂進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車輪轂的要求，選擇一種用于小型汽車輪轂上的輪輞類型。具體選用型號(hào)為5度深槽輪輞j型正向輪輞。其截面形狀尺寸如圖3.1、3.2、3.3、3.4所示。所設(shè)計(jì)的輪輞尺寸為英寸的5度深槽正向輪輞。胎圈座組合表見(jiàn)表3.1。本課題選用內(nèi)側(cè)圓峰、外側(cè)平峰的胎圈座組合。表3.1胎圈座組合表組合狀態(tài)內(nèi)側(cè)外側(cè)標(biāo)準(zhǔn)（適用正向輪輞）圓峰平峰選用（適用反向輪輞）平峰圓峰選用圓峰圓峰（凸峰圓角r4

47、取36mm）輪輞標(biāo)準(zhǔn)輪緣高度h1凸峰高度h2胎座寬度p1平峰寬度p2輪緣圓角r2胎座圓角r3胎座側(cè)圓角r4輪緣厚度p3tra標(biāo)準(zhǔn)17.5min0.20.519.8min4min9.5min6.5max4max11min輪輞扁平凸峰輪廓參考尺寸見(jiàn)表3.2。其形狀和尺寸如圖3.1。表3.2 輪輞扁平凸峰輪廓尺寸（mm）圖3.1 輪輞扁平凸峰輪廓尺寸和形狀(mm)輪輞圓周凸峰輪廓尺寸見(jiàn)表3.3，其形狀和尺寸如圖3.2所示。表3.3 輪輞圓周凸峰輪廓尺寸（mm）輪輞標(biāo)準(zhǔn)輪緣高度h1胎座寬度p1輪緣厚度p3輪緣圓角r2胎座圓角r3凸峰圓角r5凸峰側(cè)圓角r4凸峰側(cè)圓角r6tra標(biāo)準(zhǔn)17.5min21min

48、11min9.5min6.5max8min3min3min圖3.2 輪輞圓周凸峰輪廓參考尺寸和形狀(mm) 氣門孔位置、形狀和尺寸如如圖3.3，表3.4所示。圖3.3 氣門孔尺寸和位置其中，氣門孔尺寸見(jiàn)表3.4。表3.4 氣門孔尺寸（mm）h1最小值為8.1mm，取8.5mmh2最小值為6.8mm，取7.0mmh315.5mm17.5x11.5x3.5輪輞截面總圖見(jiàn)圖3.4。圖3.4 輪輞截面圖3.1.3輪輻 輪輻是連接輪輞和汽車底盤上車軸一端的部分，按形式可以分為輻板式和輻條式。輪輻的形狀千變?nèi)f化，沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定，但設(shè)計(jì)時(shí)一般從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，散熱性和美觀性等方面考慮，既要保證輪輻有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

49、又要有符合用戶審美觀的形狀，同時(shí)還要有較好的散熱性。輪輻是輪轂上影響輪轂整體重量和強(qiáng)度的重要部分，由于其形狀和尺寸沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以成為輪轂設(shè)計(jì)的主要部分。輪輻設(shè)計(jì)的成敗直接影響著輪轂的整體質(zhì)量和美觀性。目前，汽車輪轂中輪輻的形狀多種多樣，有寬輪輻、窄輪輻、多輪輻、少輪輻等各種形狀不同的設(shè)計(jì)，正在向多樣化方向發(fā)展。位于輪輻安裝面上的中心孔和螺栓孔要與車軸裝配在一起，因此，它們的尺寸有一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。主要的安裝尺寸有：（1）孔距：螺栓安裝孔的中心連接而成的節(jié)圓直徑。（2）偏位值:輪圈安裝面和輪圈中心線的距離。其中中心線是指通過(guò)輪圈側(cè)斷寬面的平分線;安裝面是和汽車剎車鼓相連接的輪圈中心后部的表面。

50、偏位值有三種，當(dāng)安裝面凸向輪圈內(nèi)部，此時(shí)偏位值為負(fù)數(shù)，叫負(fù)偏位值;當(dāng)安裝面凹向輪圈內(nèi)部，此時(shí)偏位值為正數(shù)，叫正偏位值;當(dāng)安裝面與輪圈中心線重疊時(shí)，此時(shí)偏位值為零，叫零偏位值。 （3）螺栓孔:輪轂上的螺栓孔通常設(shè)計(jì)為錐形的，其作用是方便輪轂對(duì)中。本研究采用錐形螺栓孔【35】。3.2汽車輪轂?zāi)Ｐ偷慕?ug提供了強(qiáng)大的三維實(shí)體建模功能，可以利用參數(shù)建模和特征建模方式建立輪轂?zāi)Ｐ停狙芯坎捎锰卣鹘７绞浇?。本研究所設(shè)計(jì)輪轂為一軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以x軸為旋轉(zhuǎn)軸，在建模時(shí)首先利用旋轉(zhuǎn)體功能生成輪轂主體部分。然后，在主體模型上修剪出輻板之間的空腔，添加螺栓孔、倒圓角等細(xì)節(jié)特征【36】。輪轂主體部分的二維圖如圖

51、3.5所示。其中，輪輞為5度深槽j型正向輪輞，輪輞部分的輪廓形狀尺寸按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的輪輞尺寸繪制。圖3.5 輪轂二維圖從圖中可以看出，所設(shè)計(jì)的輪輞部分的厚度為5.2mm。中心孔直徑取為67mm，偏位值取為+45mm。輪輻部分的外表面為弧形，為了減小應(yīng)力集中，在輪輻與輪輞相交的部位設(shè)置有較大的圓角過(guò)渡區(qū)域。在所設(shè)計(jì)的汽車輪轂主體部分基礎(chǔ)上，創(chuàng)建曲面，利用修剪體功能修剪出鳳舞輪轂的效果曲面。最后在輪轂的安裝面上創(chuàng)建3個(gè)螺栓孔，螺栓孔的節(jié)圓直徑為106mm，螺栓孔直徑為15mm。鳳舞鋁合金汽車輪轂的三維實(shí)體造型如圖3.5所示。圖3.5鳳舞汽車輪轂的三維實(shí)體造型3.3 本章小結(jié)本章先是介紹了“鳳舞

52、”鋁合金輪轂cad圖的設(shè)計(jì)過(guò)程。本研究所設(shè)計(jì)的汽車輪轂規(guī)格為167英寸。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定整體造型為一體式，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，選擇輪輞型號(hào);然后確定輪轂上各個(gè)裝配尺寸，最后確定輪輻的形狀，設(shè)計(jì)出一個(gè)運(yùn)動(dòng)感較強(qiáng)，外形融合了中國(guó)元素的“鳳舞”汽車輪轂。然后利用 ug nx 7.5進(jìn)行汽車輪轂的三維模型設(shè)計(jì)。第四章 鳳舞汽車輪轂的徑向疲勞分析 輪轂是車輛行駛系的主要部件之一，是汽車與地面之間的傳力元件，起著承載、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等作用。特別是近年來(lái)，隨著車速的提高，輪轂的性能成為直接影響汽車制動(dòng)安全性、操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等重要指標(biāo)的關(guān)鍵因素美國(guó)一份關(guān)于卡車事故的研究報(bào)告指出：在1588 起事故中

53、，有33 .5是“車輪、軸承和輪胎”組件的失效所造成的，其中輪轂緊固件又占了很大的比額。事故原因歸于輪轂的部分是如此之大，因此就有必要對(duì)輪轂的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行研究。輪轂的強(qiáng)度和剛度與乘車人的安全和車輛的性能息息相關(guān)。一方面，如果輪轂的剛度不夠，在行駛時(shí)遇到?jīng)_擊載荷就會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，輪轂是一個(gè)動(dòng)平衡的部件，局部的塑性變形會(huì)破壞輪轂原有的的性能從而影響到整車的平順性，動(dòng)不平衡的輪轂會(huì)破壞乘坐的舒適性，還會(huì)帶來(lái)沖擊載荷使零部件遭到破壞，高速行駛的汽車遇到這種情況必將車毀人亡，后果是慘痛的。另一方面，輪轂的強(qiáng)度和剛度如果過(guò)大，這必然會(huì)增加輪轂的質(zhì)量，增大輪輻和輪輞的厚度。輪轂是旋轉(zhuǎn)工作的部件，輪轂質(zhì)

54、量的增加給整車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量帶來(lái)的影響比其他任何部分質(zhì)量增加所帶來(lái)的影響都嚴(yán)重，它會(huì)使整車的平順性變壞，油耗增加，加速性能變差【11】。因此，我們的研究目的就是使輪轂在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下，盡量減少質(zhì)量，使整車具有更好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和平順性。輪轂是一個(gè)承受隨機(jī)疲勞載荷的旋轉(zhuǎn)薄殼結(jié)構(gòu)，上面開(kāi)有孔洞，沖有筋條，形狀復(fù)雜：同時(shí)，汽車在行駛中所受到的各種載荷向輪轂的傳遞也十分復(fù)雜；此外，它還受充氣、聯(lián)接螺栓擰緊力矩以及過(guò)盈配合等所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的作用因此，輪轂受力復(fù)雜，斷面上應(yīng)力分布變化梯度大。輪轂的幾何形狀和力學(xué)特征的復(fù)雜性給研究工作帶來(lái)很大的困難，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的解析數(shù)學(xué)或力學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行

55、描述。 汽車輪轂是汽車上重要的安全部件，它的強(qiáng)度剛度等力學(xué)性能和疲勞性能的優(yōu)劣極大地影響著汽車行駛的安全性。對(duì)汽車輪轂進(jìn)行有限元分析，可以提前確定強(qiáng)度和預(yù)測(cè)疲勞壽命，有助于減少試驗(yàn)次數(shù)和降低成本。汽車上使用的輪轂存在兩種工作狀態(tài)，一是在汽車停駛時(shí)受到靜載荷的作用，另一種是汽車行駛時(shí)受到動(dòng)態(tài)循環(huán)載荷的作用。本研究針對(duì)鋁合金汽車輪轂的實(shí)際使用狀況及課題研究的實(shí)際情況，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。 4.1 ug nx7.5靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析 本研究使用ug nx 7.5對(duì)所設(shè)計(jì)的鎂合金汽車輪轂進(jìn)行有限元分析。ug nx 7.5的高級(jí)仿真模塊可以進(jìn)行有限元建模、求解和結(jié)果可視化處理，擁有豐富的前處理和后處理工具，功能強(qiáng)大。ug nx 7.5提供了進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)仿真時(shí)所需要的所有結(jié)