基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计.docx

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基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计

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

ABSTRACT

Lightweightisthemaintrendsoftheworld'sautomotiveindustry,lightweightmaterialssuchastheuseofaluminumanditsalloysisaneffectiveway.Atpresent,mostautomotivealuminumanditsalloywheelshavebeenusedtodoasamaterial,usingmoderndesignmethods,basedonthefurtherrealizationofthislightweightwheelsistheInstituteofthisarticle.

InthestudyoftheCADsoftwarePro/EandANSYSfiniteelementanalysissoftwarefunctionsandthemaincharacteristics,theEmphasiswastheapplicationofANSYS,thestructuralstrengthofaluminumalloywheelanalysisofthespecificprocess.

First，usesthePro/Esoftware,accordingtotherimofthenationalstandards,buildingwheelsolidmodel;thenthemodelintoANSYS,by2005China'sautoindustrystandardinautomotivelight-alloywheelsandperformancerequirementsandtestmethodsunderthefatiguetestrequirementsdefinedloadandthenthestrengthanalysisandtheresultsshowedthatthewheelismuchlessthanthemaximumstressallowablestressofaluminumalloy,thereisfurtherimprovementpossibleandnecessary.Then,theimprovedwheelmodels,improvedresultsshowthattheweightofthewheelshavebeensignificantlyreduced.

TheresultsshowthattheuseofCAEanalysistechnologyhelpsimprovethedesignofautomobilewheellevel,shortendesigncycles,reducedevelopmentcosts.Themethodisuniversal,applicabletoanyofhiswordsandmodelstoguidethedesignandanalysisofthewheel.

Keywords:

AluminumAlloyWheels;StructuralDesign;FiniteElementAnalysis;StrengthAnalysis;ModalAnalysis

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，PontiacSE车型的GrandPrix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GrandPrix车型也采用了铝合金车轮;PontiaoFiero的一种新车采用了表面为黑色的铝合金车轮;DodgeDynasty车也把花边式样的铝合金车轮装了上去。

同年，福特公司在MerkurScorprio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12~13in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17~19ni大直径宽轮辋发展，甚至己出现20~26in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