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1、河北工业大学硕士学位论文铝合金轮毂的造型设计与结构分析姓名：张晨光申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：刘波;卡学良2000.2.1河北工业大学硕士研究生学位论文铝合金轮毂的造型设计与结构分析要当今世界发达国家在汽车新产品的开发设计过程中普遍采用了C A E 技术，而我国在开发设计汽车新产品时由于受到设计、工艺及制造条件的各种限制，主要还是以人工绘图及计算为主，尚处在静强度、类比和经验的传统设计阶段。因此，为了提高我国汽车产品的质量和竞争能力，就需要开发出高质量的汽车设计C A D 软件，而汽车铝合金轮毂的C A D 便是其重要内容之一。项目“汽车铝轮毅的现代设计系统”的主要研究内容
2、就是要开发出集汽车、摩托车铝合金轮毂的花样造型设计、有限元强度计算及优化设计三位于一体的铝合金轮毂计算机辅助设计( C A D ) 软件，为设计人员提供先进的铝合金轮毂设计手段。作为该项目的重要研究内容之一，本论文的主要工作是：使用机械三维绘图软件M D T ( M e c h a n i c a lD e s k t o p ) 进行铝合金轮毂的造型设计，建立轮毂图形库；应用有限元分析软件N A S T RA N 对桑塔纳轿车的铝合金轮毂进行有限元静强度计算，掌握其应力和应变分布情况；同时，在车轮动态弯曲疲劳试验机上对铝合金轮毂进行强度试验，以验证有限元分析计算结果。关键词：铝合金轮毂；有限
3、元法；K 峪书礴N 一“ 套圜织斗( Ap河北工业大学硕士研究生学位论文S h a p eD e s i g na n dS t r u c t u r a lA n a l y s i so fA l u m i n u mA l l o yH u bA B S T R A C TN o w a d a y si nt h ew o r l dd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，t h eC A Et e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ep r o c e s so fe x p l o
4、 i t i n gn e wa u t o m o b i l ep r o d u c t s B u ti no u rc o u n t r y , d u et ot h el i m i t a t i o no fd e s i g n 、t e c h n i ca n dm a n u f a c t u r ec o n d i t i o n , i ti sm o s t l ym a n u a ld r a f ta n dc a l c u l a t i o n I ti ss m li nt h et r a d i t i o n a lp h a s eo
5、 fs t a t i ci n t e n s i t y 、a n a l o g ya n de x p e r i e n c e I no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t ya n dc o m p e t i t i o no fO u ra u t o m o b i l e ，i tn e e d st oe x p l o i ta d v a n c e dC A Ds o f t w a r ef o ra u t o m o b i l ed e s i g n T h eC A Df o ra l u m i n u m
6、a l l o yh u bi sai m p o r t a n tp a r ti ni tT h em a i nc o n t e n to ft h ei t e m M o d e r nD e s i g nS y s t e mo fA l u m i n u mA l l o yH u b ”i st oe x p l o i tC A Ds o R w a r ef o ra l u m i n u ma l l o yh u bo fa u t oa n dm o t o r c y c l eT h i ss o R w a r ei n c l u d e ss c
7、u l p t i n gd e s i g no f h u b 、f i n i t ee l e m e n ti n t e n t i o nc o m p u t a t i o na n do p t i m i z a t i o n I tc a np r o v i d eaa d v a n c e dd e s i g ni n s t r u m e n to fa l u m i n u ma l l o yh u bf o rt h ed e s i g n e r s A so n eo ft h ei m p o r t a n ts t u d yc o n
8、 t e n t ，t h ew o r ki n t h i st h e s i sa r e ：u s i n gm e c h a n i c a l3 - d i m e n s i o n a lp l o t i n gs o f t w a r eM D T ( M e c h a n i c a lD e s 】( t o p ) t os c u l p ta l u m i n u ma l l o yh u ba n de s t a b l i s hf i g u r el i b r a r yo fh u b s U s i n gt h ef i n i t
9、ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eN A S T R A N ，w es e l e c tt h ea l u m i n u ma l l o yh u bo fS A N T A N Aa n dc o m p u t ei t ss t a t i ci n t e n t i o n S 0w ec a I lk n o wt h ed i s t r i b u t i o no f s t r e s sa n ds t r a i no f t h eh u bA tt h es a m et i m e ，o nt h e
10、d y n a m i cb e n de x p e r i m e n tm a c h i n eo fw h e e l ，w ed oi n t e n t i o ne x p e r i m e n tt ov a l i d a t et h er e s u l to f t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s K e yw o r d s ：A l u m i n u mA l l o yH u b ，F i n i t eE l e m e n tM e t h o d ，N A S T R A N ，M D T河北工业大
11、学硕士研究生学位论文第一章绪论1 1 铝合金在现代汽车中的应用1 1 1 汽车的轻量化发展趋势近二十年来，世界汽车工业面临着越来越严峻的三大问题，即能源、公害和安全。汽车技术的发展主要是围绕着这三大问题进行的，各国政府也先后制订了能源保护、废气排放、降低噪音和安全保障的法规“ 。其中能源问题最为突出，节能成为汽车工业发展的核心问题。因此近年来世界各大主要汽车公司从争夺汽车市场的战略考虑，在注意外形美观的同时，致力于提高汽车的经济性、降低燃油消耗的目标，这样可以缓和能源需求的紧张状况，减轻环境污染，降低综合费用，这是现代世界汽车工业的发展趋势o ”。在各种降低油耗的措施中，把实现汽车轻量化，即减
12、轻汽车的自重作为首选措施。汽车的许多问题，如操作性、排气净化、腐蚀等都与轻量化有关，但汽车轻量化的主要作用是节能。影响汽车燃油经济性的因素很多，如提高发动机和传动系统的效率，降低滚动阻力、空气阻力等，但最重要的是汽车的轻量化。实验证明，一辆自重1 3 6 0 公斤的轿车，若重量下降1 0 ，可节油8 。汽车的燃油经济性和车重的关系很难用简单的数学关系式来表达，但可从理论分析方面找到他们之间的关系。汽车行驶必须克服多种阻力而做功，行驶阻力F 可由下式表示：2 F = o W + W s i n 0 + 口( 1 + ) 形+ 旯W3 V 2其中：一汽车重量胁一滚动阻力系数0 斜率口一加速度口一等
13、价旋转重量比刀一空气阻力系数矿一车速由上式可知，汽车行驶阻力由四部分组成：轮胎阻力、爬坡阻力、加速阻力和空气阻力。空气阻力中，其阻力系数主要与车身形状、大小有关，而其它三项均与整车的重量成正比。因此，从汽车行驶所受阻力来看，汽车轻量化是节能的一项有效措旅 6 。河北工业大学硕士研究生学位论文1 1 2 铝合金的应用为了降低汽车自重，一是在提高材料强度和可靠性的基础上，利用有限元分析法使汽车结构实现最优化设计，使零部件合理化、薄壁化、中空化、小型化等；二是采用轻量化材料。到目前为止，前项工作己大体完成，没有大的潜力可挖，因此，采用更多的轻量化材料就成为全球汽车工业发展的趋势 3 “。采用更多的轻
14、量化材料主要是增加塑料、轻合金、高强度钢材与复合材料的使用比例。不论是对传统汽车材料的改良挖掘，还是对新材料的研究开发，主要都是为了实现降低燃料消耗、净化排放气体、延长汽车使用寿命和提高汽车性能的目标】。7 0 年代中期以来，主要工业发达国家从石油危机中看到了轻合金在机械制造业中具有广泛的应用前景，特别是在汽车制造业中存在着潜在的优势，欧洲和日本从节能、减少污染等方面考虑，大量制造和使用轻金属零件。从目前来看，轻合金是在汽车中除了钢铁外使用最多的材料。在各种轻合金材料中，铝材以其优点成为世界当前轿车轻量化的首选材料，而且铝资源丰富又最易被回收利用，十分有利于环境保护 8 】，因此它可以使车辆减
15、轻自重、提高车身刚度、增加行驶速度和运载量、改善使用性能、提高效益。以铝代钢、以铝代铜是发展趋势，它将逐渐成为车辆的主导材料。在汽车中使用铝来代替钢铁，可使零部件重量减少很多，通常，使用l 公斤铝合金，汽车自重可下降2 2 s 公斤。铝作为轻结构材料的使用实例越来越多。目前，每辆轿车的平均用铝量为7 0 公斤，约占轿车空车质量的6 ，根据最新的估计，在近几年内，轿车中铝的用量将达到1 2 0 公斤。近两年，美国生产的汽车在世界上有很强的竞争能力，就与其增加铝构件的使用有直接的关系。美国加州国际汽车结构研究所的一项调查报告认为，到2 0 0 0 每，汽车铝消耗量将达到6 0 0 万吨阱】。1 2
16、 铝合金轮毂的应用1 2 1 铝合金轮毂的发展概况在实现汽车轻量化的各种措施中，其着力点又定在行走系统。为此，努力在行走系统采用轻质金属材料( 铝、镁) 和有机材料( 聚合材料) ，就成为减2河北工业大学硕士研究生学位论文轻空车质量的有效措施“”。有资料表明，轮毂质量的减轻对于燃油经济性的提高效果要比减轻汽车其它部件的质量要大的多，而且试验表明，汽车轮毂( 轮辋、轮辐部分) 在满足其使用性能要求的基础上存在着减轻质量的潜力 2 】。因此，虽然至今汽车轻金属材料主要仍是集中用在车身上，但是在转动件和振动件中的用量也在与日俱增，按质量计，轮毂占首位，1 9 9 7 年铸铝轮毂的市场占有率为5 0 左右。铝制轮毂的使用已有2 0 年的历史，而且对赛车运动产生冲击性效果。1 9 2 3年，普佳奇公司制造的赛车就装用了砂模铸造的铝轮毂。此后，德国奔驰公司用3 年时间，开发出采用铆接铝轮辋的轮辐式铝轮毂，轮辋式挤压成型的，这种铝轮毂也只用于赛车。第二次世界大战后，铝合金轮毂用于普通汽车。1 9 5 8年，有了整体
