1、毕业设计(论文)题 目： 基于 UG 的“火轮”汽车轮毂 三维建模及有限元应力分析 院（系）别： 机电及自动化学院 专 业： 机械工程及自动化 级 别： 2008 学 号： 0811114033 姓 名： 罗 云 指导 老师： 郝艳华 华侨大学教务处2012 年 6 月华侨大学本科毕业设计(论文) 论文摘要i论文摘要：车轮是左右整车性能最重要的安全部件，不仅要承受静态时车辆本身垂直方向的自重载荷，更需要承受车辆行驶中来自各个方向因起动、制动、转弯、路面凹凸不平等各种动态载荷所产生的不规则应力之考验。它的轴向跳动和径向跳动精度，又直接影响到整车行驶中的平稳性、抓地性、偏摆性、制动性等行驶性能。随
2、着汽车工业的迅猛的发展，铝合金轮毂的应用越来越普遍。铝合金轮毂具有重量轻，降低油耗；散热性好，提高轮胎寿命；缓冲和吸震性好；造型美观，易加工，耐腐蚀等优点。但中国铝合金车轮行业普遍存在设计周期长，制造成本高等问题。在汽车设计制造中计算机辅助设计是必然趋势，因此采用先进的三维CAD软件和大型CAE软件对汽车铝合金轮毂进行结构设计，有利于缩短设计周期，提高产品质量。目前，在中国用有限单元法对铝合金车轮进行研究还处在起步阶段。只有少数的科研院所和高校对钢制车轮进行有限元分析研究。因此，有必要把有限元技术应用到铝合金车轮上，以解决生产实际问题。本课题：基于 UG 的“火轮”汽车轮毂三维建模及有限元应力
3、分析，是从汽车轮毂基本特征入手并结合工业设计美学，打造出具有中国元素的车轮，应用 UG 软件三维建模并完成网格划分，用有限元分析模块做出强度分析。通过此次设计学习并熟练掌握 UG 软件的建模与有限元分析功能，对车轮做强度分析，为车轮结构优化设计提供依据。关键词：铝合金车轮 UG 有限元华侨大学本科毕业设计(论文) AbstractiiAbstractWheel is the most important safety component of the vehicle performance, Not only to bear the load of the vehicle itself sta
4、tic weight on vertically. And withstand the test of vehicles from all directions, starting、braking 、cornering、 uneven surface and other dynamic loads generated by the irregular stress. Its axial and radial runout accuracy has a direct impact to the vehicle traveling in the smooth, grip, swing, braki
5、ng and driving performance. By the rapid development of automobile industry, the increasing application of aluminum alloy wheels. Aluminum alloy wheels with light weight, lower fuel consumption; good heat dissipation, improve tire life; buffering and shock absorption; attractive appearance, ease of
6、processing, corrosion resistance, etc.But in China aluminum alloy wheel industry have prevalence of long design cycles, high manufacturing costs, and other issues.Computer-aided design is an inevitable trend in automotive design and manufacturing.Therefore the use of 3D CAD software and large CAE so
7、ftware for car aluminum wheel structure design, is benefit to shorten the design cycle and improve the quality of products.At present, in China adopt the finite element method on the aluminum alloy wheels research is still in its initial stage.Therefore, it is necessary to adopt the finite element t
8、echnique on aluminum alloy wheel, to solve the practical problems of production.This project:Based on UG establish “steamer“ alloy wheel 3D modeling and finite element stress analysis, Start from the basic characteristics of the car wheels and combine the aesthetics of industrial design,to create a
9、wheel with Chinese elements.using UG software establish 3D modeling and complete the meshing finite element analysis model with a strength analysis.Through this design study and master UG software 3D modeling and finite element analysis function.Do strength analysis of the wheel.Provide the basis fo
10、r the optimized design of the wheel structure.Key Words: alloy wheel Unigraphics NX Finite element华侨大学本科毕业设计(论文) 目录iii目录第一章 绪论 .11.1. 课题研究目的和意义 .11.2. 国内外研究动态及现状分析 .21.2.1. 车轮的发展趋势 .21.2.2. 车轮疲劳分析研究 .31.3. 论文研究目标 .4第二章 理论基础与模型建立 .52.1 有限元技术及 UG 软件 .52.1.1 有限元法基本原理 .52.1.2 有限元法分析过程 .52.1.3 UG 软件介绍 .7
11、2.2 车轮模型建立 .82.2.1 车轮的结构设计的基本步骤： .82.2.2 车轮参数确定及建立模型 .92.3 本章小结 .13第三章 车轮径向疲劳的有限元分析 .143.1 车轮径向疲劳试验原理 .143.2 车轮径向载荷疲劳有限元分析 .153.2.1 车轮有限元模型建立 .153.2.2 径向载荷疲劳有限元分析 .183.3 本章小结 .22第四章 车轮弯曲疲劳的有限元分析 .234.1 车轮弯曲疲劳试验原理 .234.2 车轮弯曲疲劳有限元分析 .244.2.1 车轮有限元模型建立 .244.2.2 车轮弯曲疲劳有限元分析 .274.3 本章小结 .29第五章 总结与展望 .30
12、5.1 毕业设计总结 .305.2 未来工作展望 .31参考文献 .32致 谢 .33华侨大学本科毕业设计(论文) 绪论1第 1 章 绪论1.1. 课题研究目的和意义本课题研究从汽车轮毂的基本特征入手，应用UG三维软件对从工业设计美学 【1】 角度设计出的具有中国元素的汽车车轮建立模型，并用有限元法完成强度分析。通过本课题的研究，熟练掌握并应用UG三维软件，综合应用专业知识能够独立解决实际的工程问题，作为我们从高校迈向社会重要的一步。随着汽车工业市场全球化，汽车产业已经成为国民经济的一项支柱产业。目前世界汽车市场上欧美、日韩车系独领风骚，很多国家工业起步早，汽车设计制造产业基础牢固，技术力量雄
13、厚，汽车以其优异的性能与独特的设计风格领跑全球汽车市场，从而抑制了其他国家车辆行业的发展，就我国而言，中国的制造业日益成为世界性制造基地。国外各大汽车集团和著名摩托车生产企业，或在中国投资建厂，或在加大采购份额，国内一些技术先进、管理严谨、质量过硬的铝合金车轮生产企业，已经成为他们的全球供货商。显然，这是千载一遇的机遇，但又是新的挑战。我们工业起步晚、自主研发能力差、汽车制造业急于求成，过度依赖国外技术，直接导致我国汽车制造业发展一直很缓慢。就我们多数汽车生产厂的制造技术水平而言，与发达国家的同行比较存在着很大的差距。每个企业都面临着一个提升核心竞争力的问题，掌握先进制造技术是提升核心竞争力的
14、重要方面。过度依赖国外先进、成熟的汽车技术而不是借鉴，更缺乏自主创新能力，这样便不能铸就我国的民族品牌，这就需要我们独立自主的研究本国特色的汽车，争取国产品牌跻身世界汽车产业前列，在车辆工业上我们任重而道远。车轮是汽车行驶系统最重要的部件之一，车轮的优劣是衡量整车质量和档次的最主要象征之一。车轮设计是汽车外观造型与整体性能的一个重点，车轮不仅要承受静态时车辆本身垂直方向的自重载荷、通风（制动器散热）的需要，各种动态载荷所产生不规则应力的考验，而且车轮造型直接关系着汽车车身设计的品位和档次。因此，如何进行车轮的造型设计，如何设计出有风格特色和审美情趣的车轮已成为设计者们最关心的问题，另外全球汽车
15、数量的迅速增长对能源和环境形成巨大挑战，解决环境和能源问题已经成为世界各个国家的基本共识，实现汽车轻量化即减轻汽车的自重成为首选措施，对铝合金车轮的节能、安全、环保提出了全新的要求，车轮结构轻量化成为设计重点。眼下越来越多的新技术正逐渐被应用到车轮的设计和开发上来。本课题通过对融汇中国传统文化要素的汽车轮毂建模，并用有限元分析技术使其不仅做到结构轻量化同时又满足人们对审美的需求，为汽车轮毂的结构优化设计提供好的方法 【2】 。华侨大学本科毕业设计(论文) 绪论21.2 国内外研究动态及现状分析1.2.1 车轮的发展趋势最早的铝合金车轮诞生是一些热衷于赛车的爱好者，为了能使车辆更轻以提高赛车的速
16、度，便想方设法对车辆各零部件作 “轻量化“的设计，其中车轮是重点减轻的主要对象。20 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毅与铝质轧制轮辆相结合的车轮装上了汽车，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，主要集中在铝合金车轮材质和成形工艺方面，但由于车轮的特殊安全要求，仍末能实施批量生产。1970 年后，拜尔发动机公司首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
17、车轮，开创了铸造铝合金车轮批量用于轿车的新局面 【3】 。我国的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，国营洪都机械厂用砂型铸造生产铝合金车轮，起初用在三轮摩托车上，但数量很少，也末形成气候 【8】 。到 20 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，其规模和设备都步入了世界先进行列。紧接着又出现了南海中南铝合金轮载有限公司，这两个生产厂的生产装备部达到国际水平。当时国内汽车和摩托车对铝合金车轮的装车欲望还很低，钢圈还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，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
18、的工厂也像雨后春笋，在全国迅速蔓延 【3】 。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。国外车轮规格趋向大直径、高强度、轻量化、更美观，直径大、轮辋宽使得轮胎与地面接触面积增大从而增大了与地面的附着力，使汽车操纵性更好，安全性又进一步提高。大直径铝合金车轮是现代车辆 “轻量化“、“高速化“、“现代化“的必然产物。结构上除特殊场合装用二片式和三片式的复合车轮外，整体铸造的铝合金车轮已成为当今世界整个轻合金车轮的主流。锻造铝合金汽车轮毂自 2003 年在戴卡公司上线以来，目前在我国已崭露头角。以铸锻结合及液锻方式生产汽车轮毂在我国尚属空白。铸造铝轮毂由于起步较早，目前
19、生产工艺已经相当成熟，轮毂所能承受的载荷也大幅提高，由于能源问题汽车的轻量化对耗油量的影响又不容忽视车轮作为汽车的重要部件，能否减重也是汽车制造业必须要考虑的。锻造轮毂由于具有很高的比强度，能够在较轻的自重下承载很高的载荷，其安全性更高。此外，锻造轮毂的高强度、高载荷的特性，更适合于重载卡车和豪华大巴车。而将锻造铝合金轮毂应用于重载卡车和豪华大巴在国外也仅仅处于起步推广阶段，在国内来看基本上还是一片空白。虽然铸造轮毂具有很多优华侨大学本科毕业设计(论文) 绪论3势但毕竟受工艺条件所限，很难在载重量和自身重量上继续突破。而锻造轮毂虽然具有很好的强度和安全性，但是由于受工艺条件所限其材料利用率较低
20、(与铸造相比)、模具制造费高(多套模具生产一个轮子)、原辅材料投入较多等等使其生产成本较高。铸锻结合或液体模锻则刚好弥补了铸造与锻造的不足采用铸锻结合或液体模锻工艺所生产出来的产品，不仅能够实现与铸造产品完全相同的复杂造型，同时对产品的机械性能又有大幅提高。对于工艺复杂的轮型可以采用铸锻结合或液体模锻的方式。铸锻结合和液体模锻在西方少数发达国家已经有所运用，我国尚属空白，因此具有良好地发展空间 【4】 。作为象征整车档次之一的车轮外观，在点缀整车的“时装化“作用中越来越向着 “艺术化“方向发展，多变且时肇的铝合金车轮轮辐形态和迷人的色泽成了抢占市场的主要手段之一。传统单调的“辐条式”演变成了
21、“辐板式“；平面的辐板变成了带空间曲面和弧形面状态，甚至由中心对称演变至不对称艺术图案，以增加模仿制造难度，提高竞争力。对于车轮与整车的匹配和色泽的协调，通过表面处理获取与众不同的效果来竞争币场 (如全涂装亚光色、抛光轮、电镀轮、真空镀膜轮等)。对此，欧洲和亚洲因文化差别和不同的审美观点，形成了千姿百态的世界汽车铝合金车轮市场。镁和铝是最适宜制造车轮的理想轻合金材料，它们有着传统钢车轮所无法比拟的许多优点，更能适应整车高速化、节能化、现代化、高档次发展的需要。国际上车轮材料用得最为普遍的材料是 A356(相当我国的 ZLlOlA)合金，也是我国铝合金车轮行业普遍使用的材料。材料方面有向镁合金发
22、展的趋势，镁合金有着极高的比强度、疲劳强度和比弹性模量，是极为理想的车轮制造材料。使用镁合金制造的车轮具有极佳的减振性能。但目前除飞机、跑车等一些特殊场合外，镁合金车轮还末能像铝合金车轮那样广泛用于市场，主要原因是镁合金极易氧化的特点给熔炼、铸造所涉及的环保和生产成本等因素，带来了诸多暂时难于大量生产的难题，而且还有许多产业化的问题有待我们去研究解决。许多学者正研究使镁合金能量产的工艺和设备 【5】 。1.2.2 车轮疲劳分析研究车轮的疲劳性能长期以来都是车轮性能研究的重点，20 世纪 70 年代开始，欧美以及日本等国在铝合金车轮的性能试验方面就进行了研究，早在 20 世纪 80 年代美国和德
23、国的汽车研究所就开发了 FLIPS 系统，利用有限元分析预测轮毂疲劳寿命。从此，有限元分析技术在车轮设计、研发中应用越来越广泛，在 80 到 90 年代，国外在车轮结构设计优化、疲劳失效等方面的研究全面展开 【6】 。英国 MSC 工程软件公司应 Goodrich Aerospace 公司所求，合作开发了 MSC.FATIGUE 下的“WHEELS”模块。该模块专用于飞机轮子和其它旋转体的疲劳寿命，可以计算轮上每一节点的应力，并在损伤最严重的表华侨大学本科毕业设计(论文) 绪论4面域为每一节点给出其疲劳寿命和疲劳损伤云图。作为形状和受力情况极为相似的汽车车轮，这一模块同样适用。土耳其学者用有限
24、元仿真方法对钢制冲压车轮的弯曲疲劳试验进行静态仿真分析，得出应力集中处的塑性应变，结合材料的应力-应变曲线采用应力应变法和 Miner 累积损伤理论测其寿命，并取得很好的结果。美国 Akron 大学教授用有限元法模拟铝合金车轮的径向疲劳试验，并考虑了轮胎及气压的影响，建立有效地力学模型，求出车轮的应力应变分布 【7】 【8】 。我国在 80 年代开始引进有限元分析技术和软件，车轮行业方面有限元研究不多，较为突出的是“汽车车轮结构分析方法与应用”课题，主要研究了车轮的静力学分析、车轮疲劳寿命估算和可靠性分析、结构抗疲劳设计等方面，建立了基于有限元结构分析的车轮优化设计方法及基于车轮台架试验标准的
25、计算机模拟和仿真系统，此外还有很多人对车轮结构优化设计进行研究，通常采用有限元软件，以轮辋和轮辐的厚度为设计变量，以结构轻量化为目标，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，因此车轮强度分析与结构轻量化设计仍将是研究的重点【912】 。1.3 论文研究目标（1）学习和掌握 UG 软件的3D 建模、有限元分析功能。（2）针对实际工程结构，完成其3D 几何建模、网格划分、强度分析。（3）主要内容是针对对具有“中国风”特色的“火轮”汽车轮毂，用 UG 软件完成其3D 几何建模、网格划分、强度分析。（4）综合运用所学专业知识，独立完成工程结构件的强度分析,能
26、够独立解决实际的工程结构件优化问题，作为我们从高校迈向工作岗位重要的一步。华侨大学本科毕业设计(论文) 理论基础与模型建立5第二章 理论基础与模型建立2.1 有限元技术及 UG 软件2.1.1 有限元法基本原理计算机辅助工程CAE(Computer Aid2ed Engineering) 指工程设计中的分析计算与分析仿真, 而有限元法FEM( FiniteElement Method) 是计算机辅助工程CAE中的一种, 另外CAE还包含了边界元法BEM(Boundary Element Method) 和有限差分法FDM( Finite Difference Method) 等。这几种方法各有
27、其优缺点, 各有其应用领域,但有限元法的应用最广。有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合在一起的一种数值分析技术，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。有限元是一种离散化的数值方法。离散后的单元与单元间只通过节点相联系, 所有力和位移都通过节点进行计算。对每个单元选取适当的插值函数,使得该函数在子域内部、子域分界面上(内部边界) 以及子域与外界分界面(外部边界) 上都满足一定的条件。然后把所有单元的方程组合起来, 就得到了整个结构的方程。求解该方程,就可以得到结构的近似解。离散化是有限元方法的基础。必须依据结构的实际情况,决定单元的类型、数目
28、、形状、大小以及排列方式。这样做的目的是将结构分割成足够小的单元,使得简单位移模型能足够近似地表示精确解 【13】 。因次它可以对各种类型的工程和产品的物理力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化,以实现产品技术创新, 故已广泛应用于各种力学、电学、磁学及很多结合学科领域; 同时, 由于它能够处理耦合问题, 使得其有更大的应用前景。你可以从专业的角度理解有限元:包括变分原理、等效积分和加权余量法等, 也可以从直观的意义上理解有限元: 把连续体划分为足够小的单元, 这些单元通过节点和边连接起来,通过选择简单函数(比如线形函数) 来近似表达位移或应力的分布或变化, 从而得到整个连续体物理量的分布和
29、变化 【14】 。2.1.2 有限元法分析过程所谓有限元法（FEA）基本思想是把连续的几何机构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以至个集合体上的场函数。对每个单元，选取适当的插值华侨大学本科毕业设计(论文) 理论基础与模型建立6函数，使得该函数在子域内部、在子域分界面上以及子
30、域与外界面上都满足一定的条件。单元组合体在已知外载荷作用下处于平衡状态时，列出一系列以节点、位移为未知量的线性方程组，利用计算机解出节点位移后，再用弹性力学的有关公式，计算出各单元的应力、应变，当各单元小到一定程度，那么它就代表连续体各处的真实情况 【15】 。本课题中主要应用有限元法完成铝合金车轮的强度分析，依据有限元法的基本思想对车轮网格划分，就是将车轮几何模型离散化，分成有限个细小的单元。具体分析过程可以概括为六个步骤 【16】 ：1. 结构的离散化结构的离散化是有限元分析的第一步，关系到计算角精度。离散化的过程简单地说是将分析的结构物划分成有限个单元体，是力学模型变成离散模型，以代替原
31、来的连续体。为了有效地逼近实际的连续体和保证计算精度，就需要考虑选择单元的形状、确定单元的数目和确定划分方案等问题。然后求解的问题就转变为求有限个自由度的节点位移。有限元法计算精度取决于划分单元的形状、大小、数量和分布情况，通常划分的单元愈多、愈密集、也就愈能反映实际结构状况，计算精度愈高，但计算工作量增大，时间增长，因此必须两方面兼顾，在满足精度的要求下尽可能减少单元数目。2. 位移模式的选择结构离散化完成后，就可以对典型单元进行特征分析。为了能用节点位移表示单元体的位移、应力、应变，就必须对单元中位移的分布做出一定的假设，也就是假定位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称为唯一模式或位移函数。在有限元法应用中普遍选择多项式作为位移模式。其原因是多项式的数学运算简便，并且从所有光滑函数的局部来看都可以用多项式逼近，即不完全的泰勒级数。根据所选定的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式，其矩阵式是：(2-1)eNf式中 为单元内任一点的位移列阵；为单元的节点位移列阵；e为形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。N3. 单元力学特性的分析位移模式选定以后进行单元力学特性的分析，包括三个部分内容。1 利用几何方程，由位移表达式(2-1)导出用节点位移表示单元应变的关系式；(2-2)eB式中 是单元内任一点的应变列阵； 为单元应变矩阵。B
