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原文传递重型汽车轮毂的有限元分析及优化设计

论文题名：	重型汽车轮毂的有限元分析及优化设计
关键词：	重型汽车;轻合金轮毂;结构优化;有限元分析
摘要：	如今在汽车工业发展中，汽车轻量化研究技术已经成为重要课题之一，尤其在重型汽车行业中轻量化更是大势所趋。随着汽车生产量逐年增加，汽车的影响已经给环境和能源带来了严重的重担。经研究表明，整车质量与耗油量有直接关系，近75％耗油量消耗在汽车重量上，且每降低10%汽车重量就会下降4%耗油量。可见耗油量、CO2排放量与汽车的重量三者存在一定关系，汽车的重量减轻耗能量和排污量就会随着降低。而轮毂是汽车上重要的安全性能零部件之一，在行驶过程中承受各种负载和高速产生的高温作用。所以轮毂的结构设计好坏直接影响汽车在行驶过程中安全舒适性和操纵稳定性，本文主要以重型汽车轮毂为研究对象。　　目前，重型汽车轮毂主要用钢铁作为主要材料，而由于轻合金材料价格原因，重型轻合金轮毂材料使用很少。本文主要针对结构设计相同的轮毂，分别选择钢制与铝合金两种材料进行有限元分析对比。首先利用所给定轮胎类型和轮辋的国家标准对轮毂进行结构设计，利用参数化对轮毂建模，参数化建模目的是为优化设计提前做好准备。再利用ANSYS参数化功能，对优化所需的变量设置为字母变量，同时对参数赋值完成轮毂模型设计。在对轮毂进行有限元分析前，对轮毂进行模态分析。　　经过模态分析可得只需要静力分析即可满足需求，因此本文只对轮毂进行静力的弯曲疲劳试验和径向疲劳试验的有限元分析。首先利用Pro/e软件建立模型，然后通过ANSYS对轮毂进行径向载荷和弯曲疲劳试验分析。分别对两种材料进行对比，观察两种材料轮毂的应力分布规律。分析结果得到铝合金材料达不到该型号轮毂的性能要求，但应力集中区域是相同的且弯曲疲劳是造成疲劳破坏的主要原因。　　然后，对钢制轮毂进行疲劳寿命分析。结合疲劳理论和疲劳寿命仿真，对轮毂进行了寿命预测。通过分析结果得到疲劳寿命曲线，与实际计算得到还有一定的寿命余量，为了提高轮毂的可靠性和使用寿命，本文对钢制重载轮毂进行优化设计。　　轮毂的优化一般包括形状优化和结构尺寸优化。经过对轮毂有限元计算和疲劳寿命计算结果分析得到有进一步优化的空间，所以本文主要改变轮毂的结构尺寸达到优化。先选择轮辐厚度、轮辋厚度以及轮辋上轮缘半径为优化变量，轮毂重量为目标函数。经过分析计算，最终优化得到轮毂的重量比原来重量降低了7.3%，且应力分布更加均匀。为了进一步验证优化后的轮毂是否达到要求，对轮毂再次进行模态和疲劳分析，结果证明该设计型号的轮毂符合需求。　　综上所述，本文完成了对重型轮毂结构设计、强度分析、疲劳寿命分析和优化设计研究工作，且分析结果满足该型号轮毂的要求，同时轮毂结构的轻量化使得自身重量变轻，使该型号轮毂性能有进一步提高。
作者：	李家应
专业：	机械工程
导师：	朱龙英
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文