基于UG的凤舞汽车轮毂三维建模及有限元应力分析.docx

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基于UG的凤舞汽车轮毂三维建模及有限元应力分析

题目：

基于UG的“凤舞”汽车轮毂

三维建模及有限元应力分析

摘要

现今的汽车车轮设计是汽车造型设计中一个不可遗漏的重点，车轮不仅要满足承重、通风（制动器散热）的需要，而且车轮造型直接关系着汽车车身设计的品位和档次。

因此，如何进行车轮的造型设计，如何设计出有风格特色和审美情趣的车轮已成为车轮制造厂和设计者们最关心的问题，眼下越来越多的新技术正逐渐被应用到车轮的设计和开发上来。

轮毂是车辆行驶系的主要部件之一，是汽车与地面之间的传力元件，起着承载、转向、驱动、制动等作用。

近年来，随着车速的提高，轮毂的性能成为直接影响汽车制动安全性、操纵稳定性、行驶平顺性等重要指标的关键因素．美国一份关于卡车事故的研究报告指出：

在1588起事故中，有33.5％是“车轮、轴承和轮胎”组件的失效所造成的，其中轮毂紧固件又占了很大的比额。

事故原因归于轮毂的部分是如此之大，因此就有必要对轮毂的强度和刚度进行研究。

本课题通过对中国传统文化的研究，归纳轮毂造型设计的要素，原则及其方法；并将其融合到汽车轮毂的造型设计中，从汽车造型的基本特征入手，结合视知觉心理学及工业设计美学，融入中国传统文化元素，进行具有中国特色的轮毂造型设计；运用UG三维建模及有限元分析技术,分析结构，进行模拟实验，以期设计出造型与结构一体化的具有中国特色的汽车轮毂。

本课题主要研究课题如下：

1.模拟车轮径向疲劳试验，确定合适的载荷及边界条件。

2.模拟车轮弯曲疲劳试验，确定合适的载荷及边界条件。

综上所述，本课题对车轮的造型结构设计及其结构的应力分析方面进行了研究，为设计出具有中国特色的轮毂并检验其性能提供了依据。

关键词：

中国元素UG有限元疲劳仿真

Abstract

Themodernautomobilewheeldesignisamissingfocusinautomotivedesign,thewheelnotonlytomeettheneedsofload-bearing,ventilation（brakecooling）,andthewheelshapeisdirectlyrelatedtothequalityandgradeofthecarbodydesign.Therefore,howthedesignofthewheel,howtodesignauniquestyleandaestheticappealofthewheelhasawheelmanufacturingplant,andthedesignersaremostconcernedabout,andnowmoreandmorenewtechnologiesaregraduallybeingappliedtothedesignofthewheelupanddevelopment.

Wheelvehicledepartmentoneofthemaincomponentsoftheforcetransferbetweenthecomponentsinthecarwiththeground,andplaysaroleincarrying,steering,drive,brake.Inrecentyears,asthespeedincreases,theperformanceofthewheelhasbecomethekeyfactorofadirectimpactonautomotivebrakingsafety,handlingandstability,animportantindicatorofdrivingandridecomfort.ThestudyreportedthattheU.S.withatruckaccident:

inthe1588accident,33.5%iscausedbythefailureofthewheels,bearingsandtirecomponents,wheelfastenersaccountedforalargescale.Thecauseoftheaccidentisattributedtothepartofthewheelissolarge,soitisnecessarytostudythestrengthandstiffnessofthewheel

ThisissuethroughthestudyoftraditionalChineseculture,summedupthewheeldesignelements,principlesandmethods;andintegratedintothedesignofthecarwheels,startingfromthebasiccharacteristicsoftheautomotivestyling,combinedwiththevisualperceptionpsychologyandindustrialdesignaesthetics,intotheelementsoftraditionalChineseculturewithChinesecharacteristicsforthewheeldesigning;usingUGthree-dimensionalmodelingandfiniteelementanalysistechnologytoanalyzethestructure,conductingsimulationexperimentsinordertodesignthecarwheels.withtheintegrationofstyleandstructurewithChinesecharacteristics,.

Themainsubjectofresearchtopicsareasfollows:

1.Analogwheelradialfatigueteststodeterminetheappropriateloadandboundaryconditions.

2.Analogwheelbendingfatiguetesttodeterminetheappropriateloadandboundaryconditions.

Insummary,thewheelshapestructuredesignandstressanalysisofthestructure,thesubjectofstudyforthedesignofthewheelswithChinesecharacteristicsandprovidesabasistotestitsperformance.

Keywords:

ChineseelementsUGFiniteelementFatigueSimulation

目录

第一章绪论1

1.1课题的研究目的和意义1

1.2国内外研究的现状及发展趋势2

1.3研究内容6

1.3.1研究内容6

1.3.2.课题创新点6

第二章理论基础与软件介绍7

2.1有限元法原理7

2.1.1有限元法概述7

2.1.2弹性力学基本方程7

2.2.3结构有限元分析过程8

2.2UGNX软件简介10

2.3本章小结11

第三章凤舞汽车轮毂的结构设计12

3.1凤舞汽车轮毂的结构设计12

3.1.1整体造型12

3.1.2轮辋12

3.1.3轮辐15

3.2汽车轮毂模型的建立16

3.3本章小结17

第四章凤舞汽车轮毂的径向疲劳分析18

4.1UGNX7.5静态结构分析18

4.2车轮径向疲劳试验19

4.2.1车轮径向疲劳试验简介19

4.2.2车轮径向载荷计算20

4.3凤舞汽车轮毂径向疲劳仿真过程21

4.3.1材料参数21

4.3.2网格划分21

4.3.3载荷和约束22

4.4轮毂有限元结构结果分析24

4.5本章小结29

第五章凤舞汽车轮毂的弯曲疲劳分析30

5.1车轮弯曲疲劳试验30

5.1.1车轮弯曲疲劳试验简介30

5.1.2车轮弯曲载荷计算31

5.2车轮弯曲疲劳试验模型的建立31

5.2.1建立车轮弯曲疲劳试验几何模型31

5.2.2建立车轮弯曲疲劳试验有限元模型31

5.2.3施加边界条件及载荷32

5.3求解计算及结果分析33

5.4本章小结37

第六章结论与展望38

6.1主要结论38

6.2工作展望38

参考文献40

致谢42

附录：

凤舞汽车轮毂CAD图43

第一章绪论

1.1课题的研究目的和意义

本课题研究的目的是：

（1）学习和掌握UG软件的3D建模、有限元分析功能；

（2）针对实际工程结构，完成其3D几何建模、网格划分、强度分析，熟悉UG软件的相关功能；（3）综合运用所学专业知识，独立完成工程结构件的强度分析。

本课题研究从汽车造型的基本特征入手，结合视知觉心理学及工业设计美学，融入中国传统文化元素，进行具有中国特色的轮毂造型设计；利用UG三维软件建立模型，并用有限元法分析结构，进行模拟实验，旨在设计出造型与结构一体化的具有中国特色的汽车轮毂。

在科技高速发展的今天，汽车工业已经成为了当今国民经济的主要支柱产业之一，随着人们生活质量的提高，轿车成为了人们生活的一部分。

据2010年汽车销量排行榜，上海通用以1038988辆的销售量取得了销售量冠军，同比增长达到了42.8%，其中别克品牌全年销量550014辆，同比增长23%，雪佛兰品牌全年销量471575辆，增幅为73%，凯迪拉克品牌销售17366辆，同比增长139%，另外上海大众也突破了百万辆销售记录，成为国内第二家产销突破百万辆的汽车企业，于此同时，国内的民族品牌吉利和长城也都有良好的销售，分别同比增长22%和98%，随着汽车销售量的剧增，车轮的需求也在不断提高，提供高质量低成本的车轮对车轮厂提出了更高的要求。

汽车行业的飞速发展，在给人们带来便利的同时，也造成了一些问题，例如能源、安全和环境等。

车辆在减少能源消耗方面，减轻整车重量是一个有效途径，但是，整车轻量化的同时，可能对汽车的安全造成影响，因此有必要在保证汽车强度和刚度符合要求的前提下，对汽车进行轻量化设计。

车轮的主要功能是与轮胎一起支撑整车、缓解路面给车体带来的冲击力，同时车轮通过轮胎同轮眉间的摩擦力来产生驱动力和制动力。

当汽车转弯行驶时产生平衡离心力的侧抗力，为了保证汽车正常转向行驶，通过车轮产生的自动回正力矩，使汽车保持直线行驶方向。

科技的不断进步，车轮形式呈多样化发展，人们越来越注重汽车的外观、经济性和舒适性，这就使得汽车行业竞争越来越激烈，同时给汽车生产商提出越来越多的要求，车轮作为汽车上的主要零部件也需要不断地提高性能。

目前，车轮生产商在保证车轮强度和刚度的情况下，尽力使车轮朝着轻量化和美观化的方向发展，无论是从客户还是从生产商来讲都是意义重大的，现在车轮企业已经使用有限元技术来指导车轮的开发设计过程【1】。

本课题通过对中国传统文化的研究，归纳轮毂造型设计的要素，原则及其方法；并将其融合到汽车轮毂的造型设计中，运用UG三维建模及有限元分析技术使其不仅做到结构轻量化同时又满足人们对审美的需求，以期为汽车轮毂造型设计与结构设计提供好的方法。

1.2国内外研究的现状及发展趋势

车轮和汽车的发明、改进，使人类的交通运输发生了革命性的改变，对人类文明产生了极为重要的影响。

车轮的发展经历了漫长的历史过程：

最早的汽车车轮继承于马车，密密麻麻的辐条是这个时期车轮的主要特点，而且这个时期的车轮轮毂、轮辋的概念都是非常明确的，并不像现在我们所说的车轮这样包括了轮胎和车轴之间的整个部分。

轮辋是指紧贴胎唇的部分，轮毂是指套在车轴外层的部分，辐条呈放射状由轮毂发散到轮辋。

轮辋、轮毂、辐条，三者是可分离的，并不是一体的。

随着科技的进步，工业的发展，在19世纪末20世纪初的这段时间，轮辋、轮毂、辐条开始通过铸造工艺合为一体。

此后不久，随着轮胎工艺的发展，我们非常熟悉的钢（铁）车轮出现了，后来爱美的人们发明了一个东西叫车轮盖，一般用塑料制成，盖在钢车轮外层。

车轮盖开始是为了“遮丑”。

现在，铝合金车轮成为主流【2】。

车轮是车辆承载的重要安全部件,对它的安全性要求很高。

它除了受正压力外,还承受因车辆启动、制动时扭矩的交互作用,以及行驶过程中转弯、冲击等来自各个方向的不规则受力。

车轮在高速旋转中,还影响车辆的平稳性、操作性等性能。

当前国际先进的汽车设计，一是考虑它的安全性，；二是考虑它的节能性；三是考虑它的简易操作性。

特别是现在全球能源紧张，石油价格不断攀升，如何降低能源的消耗以及缓解对环境的污染已成为汽车设计界的主要关注问题。

而在降低能耗的一个关键因素就取决于汽车自身的重量，降低汽车自重一般采用两种方法，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。

车轮，是汽车的“鞋子”。

具体来讲，“鞋底”是车轮胎，“鞋帮儿”则是轮毂。

其中轮毂由轮辋和轮辐构成。

轮毂一方面通过轮辋与轮胎配合，另一方面通过轮辐与车桥相连，发挥其承载、行驶、转向、驱动和制动等作用。

而其中有资料表明，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【3】。

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。

尽管我国汽车工业发展迅速，但与工业化的汽车强国相比还存在不少差距，其中之一便是汽车用材与国外存在一定差距，汽车铝化率还比较低，以轿车最为突出，一般轿车单车耗铝量仅为40-50kg左右，随着世界汽车轻量化进程的加快，特别是加入WTO后，汽车市场竞争国际化日趋激烈，汽车的节能化、轻量化成为我国汽车工业发展的必要趋势。

轮毂造型设计方法研究

汽车类型不同，所选用的车轮结构也不尽相同，国际上对于车轮轮毂造型的设计已趋于成熟，每个国家在设计过程中都融入了自己的民族文化特色。

也是西方国家在激烈的市场竞争中保持不败的一大筹码【4】。

而我国在这一领域的创新设计方面严重不足，具有中国特色的车轮设计几乎没有，即使是国产汽车的车轮也大多延用国外的造型。

因而有必要结合设计美学，人机工程学及中国传统文化元素，开展汽车轮毂的造型设计研究，创造出具有中国民族特色以及自主知识产权的产品。

2005年美籍华人,汽车资深设计师陈聪仁谈论中国的汽车设计时提出了中国汽车设计应体现本土特色的观点【5】。

2007年王谦在ARTPANORAMA上发表的论文中总结了现阶段国内外汽车造型的现状，认为现在我国的汽车造型设计不但要学习西方经验而且要坚持自己的特色，将中华民族传统文化融入潮流从而焕发出新的光彩【6】。

2008年孙利在包装工程上发表的论文中论述了汽车轮毂造型本土化设计的4种方法。

对提高中国轮毂造型的本土化设计水平，拓展中国汽车轮毂的国际市场具有重要意义和影响【7】。

2009年南京华舜轮毂有限公司/陆斌等在MC现代零部件上发表的论文中介绍了现有的一些时尚车轮设计【8】，让我们在感叹轮毂设计的多姿多彩的同时，也在深思中国汽车设计的未来。

同期的湖南科技大学工业设计系的王沈策等发表的论文中分析了汽车造型与中国传统文化的关联性。

提出了如何利用工业设计中的感性工程学的系统理论来设计汽车的外观造型【9】。

这也为我们在车轮造型设计过程中融入中国传统艺术文化提供了借鉴。

有限元法的研究

国际上对车轮性能和结构的研究最初都只是采用经验类比的方法，然后按材料力学公式进行结构强度校核。

随着测试技术的发展，人们逐渐开始使用应变电测技术、脆漆法对车轮进行试验。

除此之外人们还采用了疲劳试验、道路试验、应力测试方法对车轮进行测试。

虽然这些方法均真实可靠，但是只能对已生产出来的的车轮结构进行研究分析，而且得不到车轮整体应力分布规律，无法对结构进行深入细致的研究，因此不能实现在设计阶段就对车轮结构性能进行预测，不能解决车轮设计中遇到的问题【10】~【13】。

二十世纪七十年代开始，有限元法的出现为机械零部件的结构强度研究提供了强有力的分析工具，特别是随着计算机水平的发展，CAD技术的广泛应用，以及有限元软件的出现使人们开始尝试用有限元方法研究车轮结构。

目前，国际上的许多车轮生产厂商、供应商，如HayesLemmerzInternational、Accuridecorporation及AmericanEagleWheelCorporation等，都已经广泛采用计算机辅助设计CAD（ComputerAidedDesign）软件如Pro/engineer\UG等实现了产品的虚拟设计，并运用如:

MAC、Ansys等计算机辅助工程软件进行强度校核、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EngineeringFailureAnalysis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EngineeringFailureAnalysis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进行优化设计【18】。

2006年P.RamamurtyRaju,B.Satyanarayana,K.Ramji和K.SureshBabu在EngineeringFailureAnalysis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：

（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