（全套设计打包）基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计（喜欢就下吧）

铝的比重是铁的，具有良好的导热导电性能，其机械加工性能比铁高.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，已经成为种趋势，例如轿车轮圈就是个最明显的例子，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。

本课题借助软件，有限元分析软件作为虚拟样机工具对给定的铝合金车轮进行强度分析，在保证强度和可靠性的前提下，对车轮进行优化，以进步减少车轮质量，降低成本。

.铝合金车轮行业现状及发展趋势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个漫长的发展阶段。

在世纪初，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。

年，公司大胆地将砂型铸造的铝合金车轮装上了赛车，加世纪年代联邦德国汽车联合会拜尔发动机公司及戴姆勒奔驰汽车公司，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。

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。

直至世纪年代末，联邦德国还只能少量地生产铝合金车轮。

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型轿车上，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量用于轿车的新局面。

日本铝合金车轮工业是在年后至年之间快速发展起来的，在年的年产量达万件。

意大利在年曾生产万件。

到年，西欧共生产多万件铝合金车轮其中是铸造铝合金车轮，并以年产的速度递增。

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，车型的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车和另外两种车型也采用了铝合金车轮的种新车采用了表面为黑色的铝合金车轮车也把花边式样的铝合金车轮装了上去。

同年，福特公司在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。

世纪年代初，美国原装轿车铝合金车轮装车率大约，如今已超过。

而日本目前轿车铝合金车轮装车率超过，欧洲国家超过。

我国铝合金车轮工业起步较晚，最早使用铝合金车轮是在世纪年代初，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。

到加世纪年代末，我国出现了第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。

加世纪年代初，在广东出现了既生产汽车，又生产摩托车铝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。

年，我国轿车的铝合金车轮装车率已接近摩托车的铝合金车轮装车率已逾。

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。

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，原来多见的的小直径轮已越来越少，有逐步被淘汰的趋势，目前主流是以上的规格，并逐步朝大直径宽轮辋发展，甚至己出现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.，是铝的，铁的比强度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种高强度的轻质骨材，让铝液填充时将骨材全部包住，来进步提高轻量化效果，而且可获得比铝合金车轮更佳的比强度和弹性模量。

.国内外研究方法结构的优化设计产生于世纪年代，到年代，许多新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计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

．单数据库全相关是建立在统基层上的数据库上，不像些传统的系统建立在多个数据库上。

所谓单数据库，就是工程中的资料全部来自个库，使得每个独立用户在为件产品造型而工作，不管他是哪个部门的。

换言之，在整个设计过程的任何处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。

例如，旦工程详图有改变，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，使得件产品的设计结合起来。

这优点，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。

.车轮模型的建立车轮构造种类及装配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.和表.所示。

图.整体式车轮构造表.整体式车轮各部分名称轮辋宽度螺栓孔节圆直径轮辋名义直径螺栓孔直径轮缘轮辐安装面胎圈座安装面直径凸峰后距槽底轮辐气门孔轮辋偏距轮辋中心线中心孔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，其代表型结构如下整体式轮辐和轮辋是由个整体组成的，如图.所示。

组合式由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