基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计摘要较高的强度和塑性，满足车轮高强度和刚度的性能要求。.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.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.车轮动态弯曲疲劳试验装置示意图.载荷的处理本设计中选择的参考车辆为宝来.。其主要参数如下最大功率，最大功率转速，最大扭矩•，整备质量，轮胎规格，轮辋规格，偏距，。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。表分别为车轮的设计参数及试验参数。表.车轮的设计参数产品规格设计载荷静载荷半径偏距安全系数试验弯矩车轮所受的弯矩，其大小由式确定.式中静负荷半径。车轮或汽车制造厂规定的该车轮配用的最大轮胎静负荷半径，单位轮胎与地面之间的设定摩擦系数车轮内偏距或外偏距内偏距为正，外偏矩为负，单位车轮或汽车制造厂规定的车轮上的最大垂直静负荷或车轮的额定负荷，单位强化试验系数。本课题所研究的车轮参数为.，.,.代人数值可求得•最小循环次数也可根据车轮的尺寸及安全系数查得出，车轮试验参数见表.所示。表.车轮的试验参数产品规格试验弯矩•试验转速螺纹扭矩•要求寿命在有限元模型中，载荷是加在加载轴端，加载轴长度.。.施加载荷.求得.螺栓预紧力在试验过程中车轮通过五个螺栓固定。螺栓规格为.。试验要求螺栓扭矩达到，根据机械设计原理，普通螺纹力矩.螺栓轴向载荷.螺纹中径.升角.当量摩擦角.其中，普通螺纹的牙型斜角为，其摩擦系数为.。代人数值得离心力试验中，车轮以恒定的转速转动。车轮结构各点的应力值为上述三个载荷单独作用下的合力，可描述为.其中是节点在螺栓预紧力作用下的应力张量，是节点在离心力作用下的应力张量，是节点在单位旋转载荷作用下的应力张量。.车轮弯曲疲劳试验有限元模型的分析过程分为三部分前处理计算后处理。前处理主要是建立有限元分析模型，定义元素类型材料属性几何属性最后划分网格，形成结构的有限元模型。提供两种可交互使用的实体建模方法自顶向下及自底向上采用基于的三维实体描述法，几十种图素可以模拟任意复杂的几何形状，强大的布尔运算实现模型的精雕细刻，方便的拖拉旋转拷贝缩放蒙皮倒角大大减少了建模时间，辅助工具如选择组元拾取工作平基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计摘要支柱的规划法。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年代中后期发展起来，迄今已取得定的成绩，部分高等院校和科研院所根据不同的条件和需要，自主开发了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，计算机辅助结构优化程序系统和等，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.和.为基本工具，在完成车轮结构强度分析前在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.，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。.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，具体内容如下用软件进行车轮三维模型的建立。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。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。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。第章车轮三维模型的建立.软件基础操作软件是美国参数技术公司旗下的体化的三维软件。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，作为当今世界机领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的软件之，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。第个提出了参数化设计的概念，并且采用了单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。的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到起，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机上。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。．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。．基于特征建模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。这功能特性给工程设