轻质材料应用于汽车轮毂的轻量化技术研究

发布时间：2017-08-21 07:16

  本文关键词：轻质材料应用于汽车轮毂的轻量化技术研究

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【摘要】：轮毂是汽车上的重要部件,不仅影响汽车行驶的安全性、舒适性,还直接影响汽车的外观效果。车轮等旋转件轻量化的节能效果相当于非旋转件的1.5倍,因此车轮轮毂的轻量化设计是未来车轮的重要发展方向。本文在汽车轻量化的背景下,以轻质材料在汽车轮毂的推广应用为目标,开展轮毂轻量化设计以及技术经济性分析。主要研究如下:(1)总结了汽车轻量化的国内外研究现状,介绍了多种轻质材料在汽车轻量化中的应用,阐述了轮毂尺寸设计的方法以及有限元理论基础。(2)完成对实验轮毂的有限元建模,获取轮毂受力载荷,分析轮毂的静力学强度特性。对轮毂进行自由模态和约束模态分析,获取轮毂的固有频率及振型。(3)对轮毂进行结构尺寸设计和轻质材料轻量化设计,以轮毂受力的最大变形量为约束条件,以满足轮毂强度刚度为目标,对新材料、新结构的轻量化轮毂进行力学分析和模态分析。(4)基于SolidWorks软件和Radioss求解器,对铝合金、镁合金材质轮毂的轻量化效果进行分析。相对于钢制轮毂,单只铝合金轮毂的减重2.85 kg,减重比例23.08%;单只镁合金轮毂减重5.1 kg,减重比例41.03%。分析轻质材料轮毂对电动汽车电机和电池的影响,在满足原实验车型相应动力性指标的前提下:应用铝合金轮毂,驱动电机成本可降低29.6元,动力电池成本可降低3300元。应用镁合金轮毂,电机成本可降低43.2元,电池成本可降低7040元。(5)针对轻质材料轮毂轻量化设计方案,基于全生命周期理论和3E评价方法从经济、环境、能源方面讨论应用轻质材料在电动汽车轻量化方面的技术经济性。在实验车辆的驱动电机和动力电池等参数不变的情况下,在全生命周期过程中分析得到:应用铝合金轮毂,电动汽车总成本可降低315.9元,总能耗可减少15485 MJ,总CO2排放量可减少737.2 kg;应用镁合金轮毂,电动汽车总成本可降低913.5元,总能耗可减少34096 MJ,总CO2排放量可减少2414.6 kg。
【关键词】：轮毂 轻量化设计 电动汽车 技术经济性 轻质材料
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U465;U463.343
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-25
• 1.1 引言12-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 轮毂结构优化13-14
• 1.2.2 材料轻量化14-15
• 1.2.3 轻量化效果15-16
• 1.3 轻质材料在汽车上的应用16-22
• 1.3.1 高强度钢17-18
• 1.3.2 铝合金18-19
• 1.3.3 镁合金19-20
• 1.3.4 复合材料20-22
• 1.4 本文研究内容22-25
• 第2章 有限元分析理论基础25-36
• 2.1 有限元法的基本思想25-26
• 2.2 有限元法的分析过程26-29
• 2.2.1 结构离散26-27
• 2.2.2 单元位移模式选择27
• 2.2.3 单元特性分析27-28
• 2.2.4 整体分析28
• 2.2.5 引入边界条件进行计算28-29
• 2.3 有限元法的应用范围29-31
• 2.4 有限元软件介绍31-35
• 2.4.1 优化设计和鲁棒性研究31-32
• 2.4.2 CAE前后处理平台32
• 2.4.3 先进的标准求解器技术32-33
• 2.4.4 HyperWorks有限元分析步骤33-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第3章 轮毂有限元建模和力学分析36-46
• 3.1 轮毂的有限元建模36-40
• 3.1.1 模型简化和几何处理36-38
• 3.1.2 网格划分38
• 3.1.3 网格质量检查38-39
• 3.1.4 定义材料属性39-40
• 3.2 轮毂的径向受力分析40-43
• 3.2.1 径向载荷确定40-41
• 3.2.2 边界条件及载荷施加41-42
• 3.2.3 计算结果及分析42-43
• 3.3 轮毂的弯曲受力分析43-45
• 3.3.1 弯曲载荷确定43-44
• 3.3.2 边界条件及载荷施加44
• 3.3.3 计算结果分析44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 轮毂的有限元模态分析46-56
• 4.1 理论基础46-47
• 4.2 模型建立47-49
• 4.3 边界条件49
• 4.4 分析结果49-53
• 4.5 结果讨论53-55
• 4.6 本章小结55-56
• 第5章 轻质材料轮毂的轻量化设计56-72
• 5.1 轮毂结构尺寸优化56-62
• 5.1.1 尺寸优化理论概述56-57
• 5.1.2 轻质材料轮毂尺寸优化57-61
• 5.1.3 轻质材料轮毂模型61
• 5.1.4 刚度强度验证61-62
• 5.2 铝合金轮毂力学分析及模态分析62-65
• 5.2.1 材料属性62-63
• 5.2.2 网格划分63
• 5.2.3 径向载荷分析63-64
• 5.2.4 弯曲载荷分析64
• 5.2.5 模态分析64-65
• 5.3 镁合金轮毂力学分析及模态分析65-68
• 5.3.1 材料属性65-66
• 5.3.2 网格划分66
• 5.3.3 径向载荷分析66
• 5.3.4 弯曲载荷分析66-67
• 5.3.5 模态分析67-68
• 5.4 轻质材料轻量化效果比较68-70
• 5.4.1 减重效果比较68-69
• 5.4.2 刚度强度比较69
• 5.4.3 模态频率比较69-70
• 5.5 本章小结70-72
• 第6章 轻量化的技术经济性比较72-91
• 6.1 轮毂质量对整车性能的影响72-77
• 6.1.1 实验车辆参数72-73
• 6.1.2 整车模型建立73-76
• 6.1.3 性能分析76-77
• 6.2 动力系统影响趋势77-80
• 6.2.1 驱动电机参数78-79
• 6.2.2 动力电池参数79-80
• 6.3 轻量化的效果评价80-90
• 6.3.1 生命周期评价理论80-83
• 6.3.2 GREET模型介绍83-84
• 6.3.3 经济评价84-87
• 6.3.4 能源评价87-88
• 6.3.5 环境评价88-90
• 6.3.6 盈亏平衡点90
• 6.4 本章小结90-91
• 第7章 全文总结及展望91-93
• 7.1 全文总结91-92
• 7.2 主要贡献92
• 7.3 研究展望92-93
• 参考文献93-98
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单98-99
• 致谢99

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本文编号：711537