车轮结构—材料一体化轻量化多目标优化研究

发布时间：2017-05-16 10:01

  本文关键词：车轮结构—材料一体化轻量化多目标优化研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：车轮在汽车行驶过程中起着非常重要的作用,它不仅能够传递向前的动力,也能为汽车的行驶安全提供可靠的保证,所以车轮结构性能的好坏将直接影响到整车的行驶安全。随着近年来环境和资源问题的日益恶化,汽车轻量化设计得到了人们的重视,车轮作为汽车的旋转和移动综合部件,对其结构进行轻量化设计不仅能够提高汽车的燃油经济性、降低排放,也能提高其市场竞争力。本文结合国家自然基金项目《铝镁合金组装式车轮结构-材料-性能一体化轻量化多目标优化设计方法研究》(项目编号:51475201)进行研究。首先建立16英寸全封闭轮辐车轮结构的几何模型,然后对该几何模型进行拓扑优化设计。结合拓扑优化设计结果建立16英寸五辐传统式车轮的几何模型,并在此基础上将传统式车轮结构设计修改为组装式车轮结构,进而确定初始组装式车轮结构并建立其几何模型,其中组装式车轮结构连接位置选择在轮辐与轮辋连接处,连接方式选择螺栓连接。依据国家标准GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》对组装式车轮结构进行了性能分析,其主要包括弯曲工况与径向工况下的强度、刚度和疲劳寿命,冲击试验有限元分析以及自由模态分析。分析结果表明基于拓扑优化设计得到的初始组装式车轮结构在弯曲工况与径向工况下的疲劳强度、刚度和寿命以及冲击试验下的最大应力均有较大盈余。因此有必要对该组装式车轮结构做进一步轻量化优化设计。对初始组装式车轮结构进行多目标优化设计,以初始组装式车轮的结构参数为基础进行参数化建模,在Hyperstudy软件环境中基于全局响应面算法对组装式车轮结构参数进行更加细致的尺寸优化,最终确定组装式车轮结构的轻量化设计方案。对轻量化设计方案进行工程化处理后,建立组装式车轮几何模型,并对优化后组装式车轮结构进行性能分析,其主要包括弯曲工况与径向工况下的强度、刚度和疲劳寿命,冲击试验有限元分析以及自由模态分析,将分析结果与优化前组装式车轮结构的相关性能进行对比。结果表明,优化后的车轮结构在满足车轮性能要求的情况下,实现减重14.4%,取得了明显的减重效果。
【关键词】：组装式车轮结构 轻量化 拓扑优化 性能分析 多目标优化
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.34
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 研究背景与意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 车轮材料与制造工艺发展现状13-15
• 1.2.2 车轮结构分析与优化设计的发展现状15-16
• 1.3 论文的主要研究内容16-18
• 第2章 组装式车轮结构的确定18-32
• 2.1 拓扑优化方法简介18-19
• 2.1.1 结构拓扑优化方法和原理18
• 2.1.2 连续体结构的拓扑优化18-19
• 2.1.3 拓扑优化设计的优化算法19
• 2.2 车轮试验国家标准简介19-23
• 2.2.1 动态弯曲疲劳试验20-21
• 2.2.2 动态径向疲劳试验21-22
• 2.2.3 车轮冲击试验方法22-23
• 2.3 基础车轮拓扑优化设计23-28
• 2.3.1 建立基础车轮几何模型23-24
• 2.3.2 建立基础车轮有限元模型24-26
• 2.3.3 边界条件确定26-27
• 2.3.4 建立拓扑优化模型27-28
• 2.4 初始车轮结构的确定28-29
• 2.4.1 拓扑优化结果分析28-29
• 2.4.2 确定初始车轮结构29
• 2.5 确定组装式车轮结构29-31
• 2.5.1 组装式车轮材料的选择29-30
• 2.5.2 组装式车轮连接方式的确定30
• 2.5.3 确定组装式车轮结构30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第3章 组装式车轮结构有限元分析32-50
• 3.1 有限元思想简介32-35
• 3.1.1 有限元原理简介32
• 3.1.2 单元位移模式与插值函数32-33
• 3.1.3 线弹性有限元方法33-35
• 3.2 车轮结构性能有限元分析35-46
• 3.2.1 组装式车轮弯曲工况下的强度与刚度分析35-40
• 3.2.2 组装式车轮径向工况下强度与刚度分析40-45
• 3.2.3 组装式车轮冲击试验有限元分析45-46
• 3.3 车轮结构自由模态仿真分析46-48
• 3.3.1 模态分析定义46
• 3.3.2 组装式车轮模态分析46-48
• 3.4 本章小结48-50
• 第4章 组装式车轮结构疲劳寿命预测50-60
• 4.1 疲劳寿命预测理论基础50-53
• 4.1.1 疲劳的基本认识50
• 4.1.2 本文所应用的疲劳分析理论50-52
• 4.1.3 车轮疲劳分析国内外研究现状52-53
• 4.2 车轮弯曲疲劳寿命预测53-57
• 4.2.1 MSC. Fatigue简介53
• 4.2.2 弯曲疲劳分析的前处理及设置53-56
• 4.2.3 弯曲工况疲劳分析结果56-57
• 4.3 车轮径向疲劳寿命预测57-58
• 4.3.1 径向疲劳分析的前处理及设置57
• 4.3.2 径向疲劳寿命预测分析结果57-58
• 4.4 本章小结58-60
• 第5章 组装式车轮优化设计60-82
• 5.1 组装式车轮参数化建模60-62
• 5.1.1 参数化建模简介60-61
• 5.1.2 组装式车轮参数化建模61-62
• 5.2 车轮结构多目标优化设计62-68
• 5.2.1 优化问题的描述62-64
• 5.2.2 基于Hammersley实验优化设计64-65
• 5.2.3 多目标优化方案的确定65-68
• 5.3 车轮结构性能分析与对比68-80
• 5.3.1 优化前后质量对比68
• 5.3.2 优化前后车轮结构强度与刚度的分析与对比68-73
• 5.3.3 优化前后车轮结构疲劳寿命对比分析73-76
• 5.3.4 优化前后车轮结构模态分析对比76-78
• 5.3.5 优化前后车轮结构冲击分析对比78
• 5.3.6 组装式车轮铝合金螺栓性能分析78-80
• 5.4 本章小结80-82
• 第六章 全文总结与展望82-84
• 6.1 研究工作总结82-83
• 6.2 研究工作展望83-84
• 参考文献84-89
• 致谢89

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