基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计-开题报告

纸， 明书全套毕业设计均有 毕 业设计 开题报告 学生姓名 系部 汽车与交通工程学院 专业、班级 指导教师姓名 职称 教授 从事 专业 车辆工程、 交通工程 是否外聘 是 否 题目名称 基于有限元分析的轿车铝合金车轮设计 一、 课题研究 现状、 选题 目的 和意义 1、 课题研究现状 1）铝合金车轮的起源，发展 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， 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 (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， E 车型的 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 和另外两种 型也采用了铝合金车轮 ;也把花边式样的铝合金车轮装了上去。同年，福特公司在 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，国营洪都机械厂纸， 明书全套毕业设计均有 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。 2）铝合金车轮的制造工艺 目 前，整体式铝合金车轮的成形工艺有铸造、锻造两大方法。全世界 95%的铝合金车轮采用铸造工艺，铸造又可细分为低压铸造、重力铸造和挤压铸造。国外铝合金车轮的制造方法以低压铸造为主，大概占全部产量的 80%以上，少数企业采用锻造法、焊接组装法生产。最近，国外出现无气孔压铸新工艺 (充氧压铸法 )，日本轻金属株式会社、美国铸锻公司已开始应用于生产。 国内铝合金车轮制造普遍采用成本较低的低压铸造工艺，约占全部产量的 80%以上，其次是采用最简便的重力铸造工艺，约占其全部产量的 20%不到。上海金合利采用挤压铸造工艺，其产品质量都 有提高，取得较好的效果。在铝合金车轮加工方面，一般采用数控机床和高精度自动化柔性加工系统 ;采用自动化涂装工艺，喷粉技术在表面涂装方面渐有替代喷漆之势，少数企业还采用先进的真空电镀涂装技术 ;在热处理试验检测方面，基本都接近或达到国外先进水平。 3）基于 术的 设计方法 国外企业对 术的应用已 经较为成熟，在汽车领域中有限元技术应用也较为广泛。如采用 术进行产品的三维设计，采用 术计算汽车零部件的应力和变形、进行结构强度和刚度的分析 ;采用多体动力学方法进行汽车整车操纵稳定性和 行驶平稳性的动态仿真分析 ;采用有限元法进行汽车碰撞分析、汽车噪声分析、结构疲劳分析、振动模态分析等。国内 术运用也较为普遍，许多汽车整车及相关零部件制造企业早已使用 计算机设计软件作为产品开发的主要工具，实现三维设计。而 术对设计人员的知识水平要求较高，因此应用范围有所局限，较多运用于高校及学术机构的研究，在企业中涉足较少。但近年来，随着国内市场于国际接轨，对企业产品开发技术要求日渐提高， 术也慢慢在企业中发展起来，不少大型生产企业已引进大型有限元软件并培训起自 己的技术人员。实际应用表明，有限元技术的应用给企业带来了许多实际效益。它使设计人员能在产品的设计阶段进行模拟仿真，及时发现设计中潜在并予以修改，缩短了产品的开发周期，降低成本，提高产品质量和可靠性，因此在汽车及其零部件的开发过程中己占有无可替代的地位。 术的提高对增强我国汽车工业自主研发能力和企业的 国纸， 明书全套毕业设计均有 际竞 争力有着重要的意义。 在 术中，有限单元法是其中运用最成功、最广泛的一种数值方法。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用。它 首先在连续体力学领域 态特性分析中应用的一种有效数值分析方法，随后广泛的应用于热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元技术的日益成熟，使之应用领域越发的广泛，至今已遍及机械、土木、汽车、航空航天、材料、电子等工程领域。 有限元方法的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想成许多称为有限数目的规则单元组合体，将求解域看成许 多称为有限元的小的互相连接的子域组成，对每个单元假定一个合适的近似解，推导求解整个域的满足条件的解，从而得到问题的解。目前，我国工程领域运用较多的大型分析软件有 。 2、 课题研究目的和意义 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 ，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 件，有限元分析软件 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。 二、设计（论文） 的基本内容 、 拟解决的主要问题 主要内容 1)轿车铝合金 车轮 的初步 设计 ； 2) 建立 车轮 三维模型； 3)有限元 进行车轮强度 静态分析 ； 4)验证结果的可行性 ， 改进设计，完成 设计 。 1)通过 查阅车轮的相关设计标准，初步确定车轮的参数、尺寸。 纸， 明书全套毕业设计均有 2)通过对 件的学习，掌握使用 件进行有限元分析的方法。对车轮模型进行强度静态分析。 3)根据分析结果检验车轮模型 强度 是否满足要求，改进设计。 三、技术路线（研究方法） 四、进度安排 （ 1）知识准备、调研、收集资料、完成开题报告 第 1 2 周（ （ 2） 整理 资料、提出问题、撰写设计说明书草稿、 熟悉 、 件的使用 第 3 5周（ （ 3）理论联系实际分析问题、解决问题， 使用 、 件 完成铝合金车轮的三维设计、进行强度 分析 等部分设计内容， 中期检查 第 6 8 周（ （ 4）改进完成设计，改进完成设计说明书，指导教师审核，学生修改 第 9 12 周 (（ 5） 评阅教师评阅、学生修改 第 13 周（ （ 6） 毕业设计预答辩 第 14 周（ （ 7）毕业设计修改 第 15 16 周（ 车型选择 车轮设计 轮辋设计 轮辐设计 用 建立三维模型 用 行强度静态分析 验证结果可行性 改进设计 完成设计 是否满足要求 纸， 明书全套毕业设计均有 （ 8）毕业设计答辩 第 17 周（ 五、 参考文献 1赵 玉涛 M械工业出版社， 2004 2詹友刚 M械工业出版社， 3刘惟信 北京： 清 华 大学出版社 M， 4刘坤主编；吴磊编著 M防工业出版社， 5博弈创作室编著 基础教程与实例详解 M国水利水电出版社， 2003 6余志生 M械工业 出版社， 7王霄锋，王波 J2002， 24(1):066 069 8赵震伟，王波 J2000(5):27 28 9赵震伟 ,王波