发布时间 : 星期四 文章基于UG的“凤舞”汽车轮毂 三维建模及有限元应力分析 - 图文更新完毕开始阅读bf6306123968011ca3009177
华侨大学本科毕业设计论文 绪论
寿命分析及优化设计。这不仅大大的缩短产品的设计生产周期，而且有效的保证了产品的使用性能，提高了产品的使用寿命，使企业在激烈的市场竞争中具有强有力的竞争能力【14】~【16】。
然而，从目前整个车轮行业来看，我国车轮设计研究工作的方法和手段都比较落后。绝大多数的车轮厂商仍然沿用传统经验设计方法对车轮进行设计研究，为了了解车轮的结构性能，大多数厂商采用试验法，即在车轮设计生产出来以后，也要进行架试验和路试。这样不仅浪费大量人力物力，而且延长设计周期，难以实现结构设计的优化，特别是不能在设计阶段就对车轮进行精确的计算和预测。
近些年来，国内外许多学者在运用有限元方法进行车轮设计方面取得了许多有意义的成果。2000年U.Kocabicak在Engineering Failure Analysis上发表的论文中以某型号客车车轮为研究对象，模拟弯曲疲劳试验时车轮所受的载荷及约束情况，运用有限元分析软件分析了车轮在疲劳试验中出现的最大应力值以及危险应力点的位置，并与车轮弯曲疲劳试验进行对比验证该分析的可靠性【17】。2003年M.Carboni,S.Beretta,A.Finzi在Engineering Failure Analysis发表的论文中以货车车轮为研究对象，运用有限元软件对车轮进行疲劳寿命分析，并分析了由于生产过程中所产生的瑕疵对车轮疲劳寿命的影响情况，及针对这些情况对车轮结构
【18】进行优化设计。2006年P.Ramamurty Raju,B.Satyanarayana,K.Ramji 和K.Suresh
Babu在Engineering Failure Analysis上发表的论文中以某型号铝合金车轮为研究对象，模拟车轮径向疲劳试验时施加的载荷及边界条件，运用有限元软件对车轮进行结构强度分析，并根据车轮材料的S-N曲线运用疲劳寿命理论对车轮进行疲劳寿命分析并与实际试验进行对比【19】。2003年哈尔滨工业大学的张斌在其硕士学位论文中以14x6JJ铝合金车轮为研究对象，运用SNSYS软件对该型号车轮进行结构有限元分析、变幅载荷下车轮有限寿命疲劳设计、局部应力应变法预测车轮疲劳寿命，并运用可靠度理论，对预测得到的车轮寿命进行可靠度计算，得出两种方法预测车轮的疲劳寿命均为可信的结论【20】。2007年广西大学的韦倾在其硕士论文中以三件式装载机车用轮辋为研究对象，运用UG对车轮轮辋进行建模并导进Ansys软件中进行疲劳分析及进行优化设计。文中提出了存在接触的三件式装载机车轮的疲劳试验模式，并提出了径向疲劳试验试验的模拟方式以及对进行分析【21】。
有限元法在汽车工程中的应用
在汽车结构中，一些结构件的工作条件比较恶劣，有些长期在满载、振动与冲击载荷下工作。寻求有关这些结构件正确而可靠的设计与计算方法，是提高汽车的工作性能以及可靠性与寿命的主要途径之一．对汽车的各个主要结构样进行分析，是研究其可靠性、寻求最佳结构设计方案的主要手段。汽车的结构由于其本身结构形状的多样，复杂性以及载荷系统的恶劣复杂性使以往采用经典力学
4
华侨大学本科毕业设计论文 绪论
的方法进行结构分析时往往带有局限性．在相当长的一段时间内，汽车结构的设计，主要采用经验设计。为了能够计算，往往采用较多的假设和简化，计算模型只能构造得非常简单，与实际的结构形状相差很大，所以计算是粗糙的、不很精确的，而一些结构件甚至采用常规方法根本无法计算，这些都影响了汽车工业的进一步发展。
带有大的贮存容量的现代计算机的出现，标志了以分析验证为基础的汽车结构设计革命的开始，而1970 年美国NASTRAN 软件的引入，则表明了这一时期的起点，该软件代表了一种新的计算功能，它是一个面向用户的通用的有限元结构分析程序。
有限单元法的一个独特优点是可以求解结构形状和边界条件都相当任意的力学问题。所以有限元法出现后，立即就应用在汽车结构的计算之中，成为一种可靠的新的理论计算方法。随着计算机的发展，有限单元法已经成为计算机辅助设计（CAD ）中的一部分，渗透到了每一辆汽车的设计计算中。汽车结构有限元分析的应用体现在：一是对所有结构件、主要机械零部件的强度、刚度、稳定性分析，有限单元法是一种不可替代的工具；二是在汽车结构的计算机辅助设计（CAD ）、优化设计中，有限单元法作为结构分析的工具，己成为其中主要组成部分。三是应用在汽车结构动态分析中，使用有限单元法进行各构件的模态分析，同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件的振动模态，进一步计算出各构件的动态响应，较真实地描绘出动态过程，为构件的动态设计提供方便有效的工具。有限单元法除了广泛应用于汽车结构分析外，还可应用于车身内的声学设计、汽车的空气动力学计算、汽车碰撞和被动安全性计算等。
通过上述可以看到，有限单元法的应用范围极为广泛，有非常强的实用性：而且概念浅显，易于掌握。但它也有不足之处，如对一个特殊问题只能求得一个具体的数值结果，而不能求得一般的闭合形式解，后者能让我们研究分析不同参数变化时系统的反应和影响。又如，为了构造一个好的有限元计算模型需要经验和判断等等。当然这些缺点并不影响有限单元法在工程技术领域的广泛应用。同时要注愈，有限单元法是一种近似的数值计算方法，如果将试验测试与之相结合，则可取长补短，较好地解决设计问题【22】。
总结：从国内外的发展现状及趋势中可以看出我国汽车轮毂设计中的不足之处。国内汽车产业自主研发能力较弱，具有中国特色的汽车还不够成熟，如何兼顾外观造型设计与结构设计，解决其一体化且具民族特色的车轮产品，是我们当前需要去解决的问题。
1.3研究内容
1.3.1研究内容
本课题的主要研究内容为：
5
华侨大学本科毕业设计论文 绪论
（1）查阅轮毂的相关知识，结合中国元素绘制“凤舞”的CAD工程图； （2）运用UG，完成车轮轮毂的几何模型，建立轮毂模型；
（3）完成车轮径向疲劳试验仿真和弯曲疲劳试验仿真，研究在径向疲劳载荷和弯曲疲劳载荷下的应力状态及位移量状态； （4）完成结果分析； 1.3.2. 课题创新点
本课题在研究中的主要创新点有：
（1）采用施加扇形载荷的方法，分析轮毂的受力的变化情况。
（2）径向疲劳试验仿真时使用分开建模，实现网格划分时，轮辋与轮辐之间的金字塔单元的链接。
（3）弯曲疲劳分析时采用试验轴加载方式对轮毂进行分析。
6
华侨大学本科毕业设计论文 理论基础与软件介绍
第二章 理论基础与软件介绍
2.1有限元法原理
2.1.1有限元法概述
有限元法是为了对某些工程问题求得近似解而发展出来的一种数值分析方法，它是将所要分析连续场分割为很多较小的区域（称为单元或元素），这些单元的集合体就代表原来的场，然后建立每个单元的有关特性关系式，再组合起来就能求得相应场问题的解答。这是一种从部分到整体的方法，分析过程大为简化。从数学的角度来说，有限元法是从变分原理或加权残数法出发，通过区域部分和分片插值，把数理方程的边值问题化为等价的一组多元线性代数方程的求解【26】。 有限单元法的起源可以追溯到20世纪40年代。1943年，库兰特(R.Courant)已经开始尝试将一系列三角形区域上定义的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解St.Venant扭转问题，并且应用了“单元”概念。从数学角度提出了有限元法的基本观点。在1945年至1955年间，阿吉里斯(Argyris)等人在结构矩阵分析方面的研究有很大的发展。在1956年，特纳(Tutner)、克拉夫(Clough)等人把刚架位移法的解题思路，推广应用于弹性力学平面问题。他们把连续体划分成一个个三角形和矩形的单元，单元中位移函数首先采用了近似表达式，推导了单元刚度矩阵，建立了单元结点位移与结点力之间的单元刚度方程。在1960年，克拉夫首次把这种解决弹性力学问题的方法，给予特定的名词，称为“有限单元法”。近二十年来，随着电子计算机的高速化和普遍化，有限元继续的向更加广阔、更加深入的方面发展。有限元法、杂交法、动力有限元、非线性有限元、奇异元等，以及各种不同变分原理为基础的有限单元法相继而起【23】~【26】。 2.1.2 弹性力学基本方程【27】~【29】
（1）、平衡方程表示某种物理量处于平衡状态的方程，其方程式为：
???x??xy??xz???X?0??y?z??x????yx??y??yz???Y?0 (2.1) ??y?z??x?????zy??z??Z?0?zx??x?y?z??其中X、Y、Z分别是x、y、z方向的体积力。
（2）、几何方程是应变分量与位移分量的关系式，其方程式为：
7