基于有限元分析的轎車鋁合金車輪設(shè)計【含CAD圖紙+PDF圖】

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畢業(yè)設(shè)計開題報告 設(shè) 計 題 目:基于有限元分析的轎車鋁合金車輪設(shè)計 院 系 名 稱: 汽車與交通工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級: 車輛工程07-1班 學(xué) 生 姓 名: 沈維梁 導(dǎo) 師 姓 名: 石美玉 開 題 時 間: 2011年3月11日 指導(dǎo)委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 開題報告撰寫要求 一、“開題報告”參考提綱 1. 課題研究目的和意義； 2. 文獻(xiàn)綜述（課題研究現(xiàn)狀及分析）； 3. 基本內(nèi)容、擬解決的主要問題； 4. 技術(shù)路線或研究方法； 5. 進(jìn)度安排； 6. 主要參考文獻(xiàn)。 二、“開題報告”撰寫規(guī)范 請參照《黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書及畢業(yè)論文撰寫規(guī)范》要求。字?jǐn)?shù)應(yīng)在4000字以上，文字要精練通順，條理分明，文字圖表要工整清楚。 SY-025-BY-3 畢業(yè)設(shè)計開題報告 學(xué)生姓名 沈維梁 系部 汽車與交通工程學(xué)院 專業(yè)、班級 車輛工程07-1班 指導(dǎo)教師姓名 石美玉 職稱 教授 從事 專業(yè) 車輛工程、 交通工程 是否外聘 □是√否 題目名稱 基于有限元分析的轎車鋁合金車輪設(shè)計 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義 1、課題研究現(xiàn)狀 1）鋁合金車輪的起源，發(fā)展 長時期內(nèi)，鋼制車輪在車輪制造業(yè)中占主導(dǎo)地位，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，對車輛安全、環(huán)保、節(jié)能的要求日趨嚴(yán)格，鋁合金車輪以其美觀、質(zhì)輕、節(jié)能、散熱好、耐腐蝕、加工性能好等特點(diǎn)，逐步取代鋼制車輪。鋁合金車輪的出現(xiàn)到如今漸漸替代鋼制車輪是一個漫長的發(fā)展階段。在20世紀(jì)初，一些熱衷于賽車的愛好者，為了能使車輛更輕以提高賽車速度，想方設(shè)法對車輛各零部件作輕量化的改進(jìn)，其中車輪是重點(diǎn)減輕的主要對象。1923年，Bugatti公司大膽地將砂型鑄造的鋁合金車輪裝上了賽車，加世紀(jì)30年代聯(lián)邦德國汽車聯(lián)合會、拜爾(BMW)發(fā)動機(jī)公司及戴姆勒一奔馳汽車公司，正式將鋼制輻條式輪轂與鋁制扎制輪輞相結(jié)合的車輪裝上汽車，為鋁合金車輪的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。二次世界大戰(zhàn)和世界性的能源危機(jī)大大刺激了汽車商的輕量化需求。1945年汽車廠商紛紛開展批量生產(chǎn)鋁合金車輪的研究，重要集中在鋁合金車輪的材質(zhì)和成形工藝方面，但由于車輪的特殊安全要求，仍未能實施批量生產(chǎn)。直至20世紀(jì)50年代末，聯(lián)邦德國還只能少量地生產(chǎn)鋁合金車輪。1970年末，拜爾發(fā)動機(jī)公司率先將鑄造鋁合金車輪作為特殊部件裝到了2002型轎車上，1972年又在雙門小轎車上成批裝上了鑄造鋁合金車輪，開始了鑄造鋁合金車輪批量用于轎車的新局面。 日本鋁合金車輪工業(yè)是在1970年后至1984年之間快速發(fā)展起來的，在1984年的年產(chǎn)量達(dá)640萬件。意大利在1979年曾生產(chǎn)150萬件。到1980年，西歐共生產(chǎn)700多萬件鋁合金車輪(其中50%是鑄造鋁合金車輪)，并以年產(chǎn)6%~7%的速度遞增。1988年，美國生產(chǎn)的車輛中，鋁合金車輪已作為好幾種車型的系列部件，Pontiac SE車型的Grand Prix車更是采用了涂裝彩色條帶狀的鋁合金車輪。通用汽車公司生產(chǎn)的Gorvette車和另外兩種Grand Prix車型也采用了鋁合金車輪;Pontiao Fiero的一種新車采用了表面為黑色的鋁合金車輪;Dodge Dynasty車也把花邊式樣的鋁合金車輪裝了上去。同年，福特公司在Merkur Scorprio轎車上也裝上了鋁合金車輪，并把鋁合金車輪定為公司系列的標(biāo)準(zhǔn)件。20世紀(jì)80年代初，美國原裝轎車鋁合金車輪裝車率大約4%一5%，如今已超過40%。而日本目前轎車鋁合金車輪裝車率超過45%，歐洲國家超過50%。 我國鋁合金車輪工業(yè)起步較晚，最早使用鋁合金車輪是在20世紀(jì)80年代初，國營洪都機(jī)械廠將砂型鑄造的鋁合金車輪裝在邊三輪摩托車上，但是數(shù)量很少，未形成氣候。到加世紀(jì)80年代末，我國出現(xiàn)了第一個具有現(xiàn)代規(guī)模的戴卡輪轂制造有限公司，其規(guī)模和設(shè)備都進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。加世紀(jì)90年代初，在廣東出現(xiàn)了既生產(chǎn)汽車，又生產(chǎn)摩托車鋁合金車輪的南海中南鋁合金輪轂有限公司，這兩個生產(chǎn)廠的生產(chǎn)設(shè)備都已達(dá)到國際水平。但這段時期，因國內(nèi)汽車和摩托車對鋁合金車輪的裝車欲望還很低，鋼圈仍占據(jù)著絕對統(tǒng)治市場的地位。隨著我國公路設(shè)施的飛速發(fā)展，這兩個企業(yè)也分別在汽車、摩托車行業(yè)中積極地宣傳，鋁合金車輪開始以極其迅猛之勢在全國得到推廣，生產(chǎn)鋁合金車輪的工廠也像雨后春筍般出現(xiàn)，蔓延至全國。2002年，我國轎車的鋁合金車輪裝車率已接近45%;摩托車的鋁合金車輪裝車率已逾50%。綜上所述，不難看出，鋁合金車輪是現(xiàn)代車輛輕量化、高速化、現(xiàn)代化的必然產(chǎn)物。 2）鋁合金車輪的制造工藝 目前，整體式鋁合金車輪的成形工藝有鑄造、鍛造兩大方法。全世界95%的鋁合金車輪采用鑄造工藝，鑄造又可細(xì)分為低壓鑄造、重力鑄造和擠壓鑄造。國外鋁合金車輪的制造方法以低壓鑄造為主，大概占全部產(chǎn)量的80%以上，少數(shù)企業(yè)采用鍛造法、焊接組裝法生產(chǎn)。最近，國外出現(xiàn)無氣孔壓鑄新工藝(充氧壓鑄法)，日本輕金屬株式會社、美國鑄鍛公司已開始應(yīng)用于生產(chǎn)。 國內(nèi)鋁合金車輪制造普遍采用成本較低的低壓鑄造工藝，約占全部產(chǎn)量的80%以上，其次是采用最簡便的重力鑄造工藝，約占其全部產(chǎn)量的20%不到。上海金合利采用擠壓鑄造工藝，其產(chǎn)品質(zhì)量都有提高，取得較好的效果。在鋁合金車輪加工方面，一般采用數(shù)控機(jī)床和高精度自動化柔性加工系統(tǒng);采用自動化涂裝工藝，噴粉技術(shù)在表面涂裝方面漸有替代噴漆之勢，少數(shù)企業(yè)還采用先進(jìn)的真空電鍍涂裝技術(shù);在熱處理試驗檢測方面，基本都接近或達(dá)到國外先進(jìn)水平。 3）基于CAD/CAE技術(shù)的設(shè)計方法 國外企業(yè)對CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，在汽車領(lǐng)域中有限元技術(shù)應(yīng)用也較為廣泛。如采用CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的三維設(shè)計，采用CAE技術(shù)計算汽車零部件的應(yīng)力和變形、進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的分析;采用多體動力學(xué)方法進(jìn)行汽車整車操縱穩(wěn)定性和行駛平穩(wěn)性的動態(tài)仿真分析;采用有限元法進(jìn)行汽車碰撞分析、汽車噪聲分析、結(jié)構(gòu)疲勞分析、振動模態(tài)分析等。國內(nèi)CAD技術(shù)運(yùn)用也較為普遍，許多汽車整車及相關(guān)零部件制造企業(yè)早已使用UG、PROE/、CATIA等計算機(jī)設(shè)計軟件作為產(chǎn)品開發(fā)的主要工具，實現(xiàn)三維設(shè)計。而CAE技術(shù)對設(shè)計人員的知識水平要求較高，因此應(yīng)用范圍有所局限，較多運(yùn)用于高校及學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的研究，在企業(yè)中涉足較少。但近年來，隨著國內(nèi)市場于國際接軌，對企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)要求日漸提高，CAE技術(shù)也慢慢在企業(yè)中發(fā)展起來，不少大型生產(chǎn)企業(yè)已引進(jìn)大型有限元軟件并培訓(xùn)起自己的技術(shù)人員。實際應(yīng)用表明，有限元技術(shù)的應(yīng)用給企業(yè)帶來了許多實際效益。它使設(shè)計人員能在產(chǎn)品的設(shè)計階段進(jìn)行模擬仿真，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中潛在并予以修改，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，因此在汽車及其零部件的開發(fā)過程中己占有無可替代的地位。CAD/CAE技術(shù)的提高對增強(qiáng)我國汽車工業(yè)自主研發(fā)能力和企業(yè)的國際競爭力有著重要的意義。 在CAE技術(shù)中，有限單元法是其中運(yùn)用最成功、最廣泛的一種數(shù)值方法。它是隨著電子計算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用。它首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域-飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效數(shù)值分析方法，隨后廣泛的應(yīng)用于熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。有限元技術(shù)的日益成熟，使之應(yīng)用領(lǐng)域越發(fā)的廣泛，至今已遍及機(jī)械、土木、汽車、航空航天、材料、電子等工程領(lǐng)域。 有限元方法的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)假想成許多稱為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，將求解域看成許多稱為有限元的小的互相連接的子域組成，對每個單元假定一個合適的近似解，推導(dǎo)求解整個域的滿足條件的解，從而得到問題的解。目前，我國工程領(lǐng)域運(yùn)用較多的大型分析軟件有ANSYS、I-DEAS、MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN、ABQAUS、ALGOR等。 2、課題研究目的和意義 實現(xiàn)汽車輕量化，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，是汽車節(jié)能的最有效途徑之一。汽車減輕自重，不僅可減小汽車的行駛阻力，降低油耗，還有利于改善汽車的轉(zhuǎn)向、加速、制動等性能，有利于降低噪聲、減輕振動，為實現(xiàn)大功率創(chuàng)造條件。同時輕量化帶來的低油耗，使汽車的廢氣排放減少，對環(huán)境的污染程度也減小。汽車輕量化有兩大途徑：一是采用輕量化材料，例如采用超高強(qiáng)度鋼板，鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵材料；一是優(yōu)化、更改汽車的結(jié)構(gòu)，縮小零部件尺寸，最大限度地減輕零部件的質(zhì)量。 全球汽車工業(yè)越來越注重汽車的輕量化，表現(xiàn)在鋁及其合金在汽車材料中所占的比重越來越大。鋁的比重是鐵的1/3，具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，其機(jī)械加工性能比鐵高4.5倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蝕性；鋁的鑄造工業(yè)性能也比較好，可以獲得薄壁復(fù)雜鑄件?，F(xiàn)代轎車日益廣泛使用鋁材，已經(jīng)成為一種趨勢，例如轎車輪圈就是一個最明顯的例子，80年代初，大部分轎車還是使用鋼質(zhì)輪圈，而今絕大部分轎車都是用鋁合金輪圈了。本課題借助CAD軟件Pro/E，有限元分析軟件ANSYS作為虛擬樣機(jī)工具對給定的鋁合金車輪進(jìn)行強(qiáng)度分析，在保證強(qiáng)度和可靠性的前提下，對車輪進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步減少車輪質(zhì)量，降低成本。 二、設(shè)計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 1.設(shè)計的主要內(nèi)容 1)轎車鋁合金車輪的初步設(shè)計； 2)Pro/E建立車輪三維模型； 3)有限元進(jìn)行車輪強(qiáng)度靜態(tài)分析； 4)驗證結(jié)果的可行性，改進(jìn)設(shè)計，完成設(shè)計。 2.擬解決的主要問題 1)通過查閱車輪的相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，初步確定車輪的參數(shù)、尺寸。 2)通過對ANSYS軟件的學(xué)習(xí)，掌握使用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析的方法。對車輪模型進(jìn)行強(qiáng)度靜態(tài)分析。 3)根據(jù)分析結(jié)果檢驗車輪模型強(qiáng)度是否滿足要求，改進(jìn)設(shè)計。 三、技術(shù)路線（研究方法） 改進(jìn)設(shè)計 完成設(shè)計 是否滿足要求 用Pro/E建立三維模型 用ANSYS進(jìn)行強(qiáng)度靜態(tài)分析 驗證結(jié)果可行性 輪輻設(shè)計 輪輞設(shè)計 車輪設(shè)計 車型選擇 四、進(jìn)度安排 （1）知識準(zhǔn)備、調(diào)研、收集資料、完成開題報告 第1～2周（2.28～3.11） （2） 整理資料、提出問題、撰寫設(shè)計說明書草稿、熟悉Pro/E、ANSYS軟件的使用 第3～5周（3.14～4.1） （3）理論聯(lián)系實際分析問題、解決問題，使用Pro/E、ANSYS軟件完成鋁合金車輪的三維設(shè)計、進(jìn)行強(qiáng)度分析等部分設(shè)計內(nèi)容，中期檢查 第6～8周（4.4～4.22） （4）改進(jìn)完成設(shè)計，改進(jìn)完成設(shè)計說明書，指導(dǎo)教師審核，學(xué)生修改 第9～12周(4.25～5.20) （5）評閱教師評閱、學(xué)生修改 第13周（5.23～5.27） （6）畢業(yè)設(shè)計預(yù)答辯 第14周（5.30～6.3） （7）畢業(yè)設(shè)計修改 第15～16周（6.6～6.17） （8）畢業(yè)設(shè)計答辯 第17周（6.20～6.24） 五、參考文獻(xiàn) [1]趙玉濤.鋁合金車輪制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 [2]詹友剛.Pro/ENGINEER中文野火版4.0曲面設(shè)計教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.1 [3]劉惟信.汽車設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社[M]，2006.1 [4]劉坤主編；吳磊編著.ANSYS有限元方法精解[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.8 [5]博弈創(chuàng)作室編著.ANSYS7.0基礎(chǔ)教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2003 [6]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.1 [7]王霄鋒，王波.汽車車輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，2002，24(1):066～069 [8]趙震偉，王波.應(yīng)用有限元軟件指導(dǎo)車輪的結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2000(5):27～28 [9]趙震偉,王波,王霄峰,管迪華.應(yīng)用有限元軟件指導(dǎo)車輪的結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].機(jī)械強(qiáng)度，2000（10）：27～28 [10]曲文君.基于Pro／E的低壓鑄造鋁合金輪轂的設(shè)計與靜力學(xué)分析[J].制造業(yè)自動化，2009（7）：161～163 [11]武海濱,閆紹平,儀登利.鋁合金輪轂的有限元分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(4):282～284 [12]閆勝昝.鋁合金車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計有限元分析[D].杭州：浙江大學(xué)，2008 [13]孫紅梅.轎車鋁合金車輪模態(tài)計算和優(yōu)化設(shè)計[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2007 [14]GB-T 3487-2005.汽車輪輞規(guī)格系列[S],2005 [15] H.Akbulut. on optimization of a car rim using finite element method. Finite Element in Analysis and Design，2003(39):433～443 [16] J.Steams，T.S.Srivatsan. Modeling the mechanical response of an aluminum Alloy automotive rim. Materials Science and Engineering，2004(366):262～268 六、備注 指導(dǎo)教師意見： 簽字： 年 月 日