钢制车轮与铝合金车轮对比仿真分析与优化设计

发布时间：2017-08-30 01:08

  本文关键词：钢制车轮与铝合金车轮对比仿真分析与优化设计

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【摘要】：车轮是汽车的重要旋转零部件,行驶过程中汽车与地面之间所有的力均是通过车轮传递,车轮失效往往会造成灾难性的事故。过度的增加车轮寿命会使得车轮过重,不但会影响整车的燃油经济性、平顺性等性能,还会急剧恶化车轮的散热效果,增加爆胎机率,进而影响整车安全性。所以车轮的质量直接影响着人们的生命安全。本文针对某企业某款微型客车的钢制车轮和铝合金车轮因疲劳寿命值过大而严重影响整车平顺性和燃油经济性等问题开展研究,力求在满足企业所要求的车轮寿命前提下,尽可能提高整车综合性能。主要研究工作与成果如下:(1)对两款车轮生产与行驶中所受到的载荷进行详细讨论,确定径、侧向载荷对车轮的疲劳性能影响较大。(2)在弯曲工况下,对两款车轮分别建立有、无螺栓预紧力的两种有限元模型。对比各组结果中的应力分布规律,得出螺栓预紧力对钢制车轮弯曲疲劳性能影响较大,而对铝合金车轮的影响可以忽略,故简化模型中仅钢制车轮保留螺栓预紧力。根据车轮弯曲疲劳分析结果,选择钢制车轮轮辐厚度、通风孔直径、铝合金车轮辐条厚度、辐条掏料槽尺寸等为优化参数。(3)在径向工况下,详细讨论超弹性轮胎的受力特征与模拟参数选择,并对两款车轮分别建立保留、取消空气压力的有限元模型。对比各组模型中的应力分布规律,得空气压力通过引起轮胎变形而使两款车轮应力分布急剧变化,故径向载荷下两款车轮受力特征不可简化。根据车轮径向疲劳分析结果以及装配特点,两款车轮轮辋可优化参数只有轮辋厚度。(4)在随机振动工况下,建立Adams整车模型,模拟车辆在实际路面上的行驶情况。提取后车轮的路面激励,分别将两款车轮的一阶模态值与三倍载荷频率值相比较,并结合车轮载荷特点,选用随机振动疲劳分析方法。根据分析结果,两款车轮均在低频载荷下损伤较大,为了降低车轮损伤,都需要提高一阶模态值。提取钢制车轮辐凸台外扩尺寸、轮辐鼓包过渡圆弧半径、铝合金车轮中心轮毂减重槽形状与尺寸、辐条背腔线高度等,为优化参数。(5)综合以上优化参数,以拉丁超立方抽样和正交实验法相结合对两款车轮进行试验设计,以实验计算结果为基础对两款车轮建立响应曲面优化模型。以弯曲、径向、随机疲劳寿命为约束条件;以车轮质量最小、一阶模态值最大为目标;以钢制车轮轮辐、轮辋厚度,凸台外扩尺寸,鼓包过渡圆弧半径,铝合金车轮背腔线高度,减重槽形状尺寸等参数为设计变量;采用基因遗传优化算法,最终使得钢制车轮质量下降24.04%,模态值提升2.6%,铝合金车轮质量降低13.85%,模态值提高7.6%。
【关键词】：车轮 弯曲疲劳 径向疲劳 振动疲劳 有限元分析 结构优化设计
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.34
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 课题研究背景12-14
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势14-16
• 1.3 本课题的提出、主要研究内容及技术路线16-19
• 第二章 车轮的受力分析19-26
• 2.1 车轮载荷分类19-20
• 2.2 内部载荷所产生的力对车轮的影响20-22
• 2.3 外部载荷作用在车轮上的力对车轮的影响22-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 车轮弯曲疲劳分析26-48
• 3.1 车轮弯曲疲劳实验法规介绍26-27
• 3.2 车轮弯曲静力学分析27-38
• 3.2.1 车轮有限元参数选择说明27-29
• 3.2.2 车轮不同加载方式的描述29-32
• 3.2.3 螺栓预紧力对钢制车轮和铝合金车轮的影响32-36
• 3.2.4 仿真结果分析36-38
• 3.3 车轮弯曲疲劳仿真38-47
• 3.3.1 疲劳循环载荷的确定40-41
• 3.3.2 材料S-N曲线描述41-43
• 3.3.3 零件疲劳寿命的影响因数43-45
• 3.3.4 车轮疲劳寿命结果分析45-46
• 3.3.5 车轮弯曲疲劳可优化参数空间46-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第四章 车轮径向疲劳分析48-66
• 4.1 车轮径向疲劳实验法规介绍48
• 4.2 车轮径向静力学分析48-60
• 4.2.1 车轮有限元参数选择说明48-50
• 4.2.2 车轮不同加载方式的描述50-53
• 4.2.3 轮胎充气压力对钢制车轮和铝合金车轮的影响53-57
• 4.2.4 仿真结果分析57-60
• 4.3 车轮径向疲劳仿真60-65
• 4.3.1 疲劳循环载荷的确定60-62
• 4.3.2 零件S-N曲线确定62-63
• 4.3.3 车轮疲劳寿命结果分析63-64
• 4.3.4 车轮径向疲劳可优化参数空间64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第五章 车轮随机振动疲劳分析66-87
• 5.1 车轮模态分析66-67
• 5.2 车轮振动载荷提取67-78
• 5.2.1 微型客车多体动力学建模67-70
• 5.2.2 基于Matlab谐波叠加法的三维虚拟路面建立70-77
• 5.2.3 车轮随机载荷提取77-78
• 5.3 车轮振动疲劳参数选择78-83
• 5.3.1 载荷频域转换与耦合说明78-79
• 5.3.2 求解参数选择说明79-80
• 5.3.3 随机振动传递函数与应力分布80-82
• 5.3.4 零件S-N曲线修正82-83
• 5.4 车轮振动疲劳寿命结果分析83-85
• 5.5 车轮振动疲劳可优化参数空间85-86
• 5.6 本章小结86-87
• 第六章 车轮结构优化设计87-101
• 6.1 可优化参数空间汇总87-88
• 6.2 优化方案的提出88-90
• 6.3 响应面近似模型的建立与验证90-94
• 6.4 优化结果与验证分析94-100
• 6.5 本章小结100-101
• 第七章 总结与展望101-104
• 7.1 总结101-103
• 7.2 展望103-104
• 参考文献104-107
• 致谢107-108
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文108

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本文编号：756417