汽车轮毂的有限元分析与优化设计
本课题研究的主要内容是对轮毂进行有限元分析设计和优化，利用ANSYS对轮毂进行优化。首先是对轮毂模型的建模，利用SOLIDWORKS软件进行建模。建模的过程中，利用轮毂的标准参数进行建模。建模完成以后，利用ANSYS软件再把模型进行有限元网络划分和繁杂的地方进行简化。然后进行有限元计算，得到有限元计算的结果。进行拓扑优化，得出拓扑优化的结果。制定轮毂优化的方案。最后对轮毂进行结构优化，并在ANSYS中得到静力优化的结果。并与之前的未优化结果进行比较。关键词 轮毂，有限元分析，拓扑优化目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 2
1.3 国内外研究现状 3
1.4 本课题主要工作 4
2 轮毂的建模 5
2.1 轮毂的基本知识和设计标准 5
2.2 轮毂的建模过程 7
2.3 小结 9
3 ANSYS有限元分析 9
3.1 有限元的概念 9
3.2 导入有限元模型 11
3.3 加载和求解 13
3.4 结果后处理和结果查看 15
3.5 小结 15
4 轮毂的拓扑优化 15
4.1 拓扑优化的概念 15
4.2 轮毂模型的网格划分 16
4.3 施加载荷 18
4.4 有限元求解 19
4.5 拓扑优化 19
4.6 小结 20
5 优化设计 21
5.1 优化前的轮毂有限元分析 21
5.2 优化后的轮毂有限元分析 21
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
绪论
1.1 研究背景
随着能源、环境成为全球普遍关注的问题，汽车行业尤为突出。提高燃油的经济性，降低它的能量损耗及提高安全性能的重要举措之一就是减轻汽车的自身重量[1]。轮毂，即是我们日常生活中经常叫的车轱辘，它是汽车中不可缺少的基本零件。为了降低汽车自己本身的重量，使驾驶员获得更好的驾
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/> 致 谢 26
参 考 文 献 27
绪论
1.1 研究背景
随着能源、环境成为全球普遍关注的问题，汽车行业尤为突出。提高燃油的经济性，降低它的能量损耗及提高安全性能的重要举措之一就是减轻汽车的自身重量[1]。轮毂，即是我们日常生活中经常叫的车轱辘，它是汽车中不可缺少的基本零件。为了降低汽车自己本身的重量，使驾驶员获得更好的驾驶体验。选用重量较轻、耐腐蚀性较好、成型能力较好、可回收率较高、性价比高的铝合金作为主要工艺材料也是厂商日益关注的重点。同时，车辆在道路上运行的时候最重要的安全零件之一就是轮毂。它一般起到四个方面的作用：承载车子的质量，对轮子进行驱动以及制动，还有对方向进行导向。它内在的品质和安全性关系到车辆，车内人员以及车内物资的安全。如果轮毂的质量不够优异，会使车辆行驶过程中的不平稳、操纵性差，让人感到不舒适。
轮毂是汽车轮胎内以轴为中心，是轮胎内廓支撑轮胎的圆桶形的、中心装在轴上的金属部件用于支撑轮胎的圆柱形金属部件。起到连接制动鼓、轮盘和半轴的作用的重要部件。因此轮毂应满足一下条件：
(1)汽车轮毂用于撑持轮胎和连接传动轴进行运动，同时对汽车车身还有车内人和物品进行承载。所以汽车轮毂必须要有充足的强度。
(2)汽车轮毂要具备有很强的抗疲劳性能。因为在承受巨大的应力的同时还要要长时间运行。
(3)汽车长期处于高速运动，并且高速低速交替运动，同时经常要刹车。并且它还与制动鼓连接，因而它的散热性能必须要良好。就车辆的制动系统而言，轮毂必须要有一定的发散热量的性能，因为要对轮胎和制动系统的热量的进行散发。
(4)经常暴露在外面与空气水泥直接接触，所以不能容易被腐蚀，一定要有很好的抗腐蚀能力。
(5)作为汽车的一部分，从经济性的角度来说，惯性阻力要小，要有较轻的重量，从而减轻油耗。
(6)从外观方面来讲，外观一定要满足大众的审美要求，选材方面就显得很重要。所以材料也是设计中一个很重要的方面。
汽车的能运动最基础的部分就是车轮，因此轮毂的地位是十分重要的，轮毂的能力的好坏也决定了汽车的运行基本条件以及极端情况下的安全性能。这就使得对轮毂 的研究设计势在必行。
1.2 研究意义
在现代汽车工业飞速发展，从老式的木质轮毂，到钢铁质的轮毂，再到现在铝合金轮毂得普及，如图 1-1所示。同时伴随着时代的发展，人们不在满足汽车作为实用工具而更要求它有更高的美感，轮毂作为汽车基础部分，也已经成为各种汽车轮毂厂商进行美感设计的重点，如图1-2所示。
图1-1 老式轮毂
图1-2 各式各样的轮毂
轮毂失效断裂是非常可怕的。由于轮毂失效导致的车祸触目惊心。如图1-3所示。
图1-3 轮毂的失效断裂
重大灾难性的事故的发生，使得轮毂结构得到了国内外设计员的高度重视。若结构设计不合理则容易引起失效，因为轮毂的工作是受轮毂结构设计直接影响的。同样影响轮毂性能的是工作中的压力、温度和腐蚀。广义上讲，造成轮毂能力下降导致失效的因素很多，比如刚性变化、裂纹增长、溶胀或瞬间破坏等，另外高温的影响也不能忽略。综上所述，造成轮毂失效的因素多种多样。
汽车工业的飞速发展，以及人民日益提高的生活水平，汽车作为生活常用品，已经是不可逆的情况。因此，轮毂的安全性能的好坏，也成为各个国家研究人员研究的重点。
综上，轮毂研究的意义显而易见：
(1)通过有限元分析及优化，最大程度上降低轮毂失效的可能性，从而减少由此引起的经济损失。
(2)研究所得的结果将成为可靠地依据，为更好的进行轮毂设计提供了可能性。
(3)对失效进行有效判断，优化轮毂工作性能，提高效率。
显而易见，轮毂的重要性不言而喻，而决定其高效运行的最大因素是自身的结构。所以对于轮毂的研究势在必行。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国内研究
国有汽车轮毂企业正在开始新一轮的制度改进 ,绝大多数的非公有化及民营化企业在未来将成为推动中国轮毂行业的不可缺少的力量[2]。十一五期间，国民经济平稳高速发展，给汽车工业发展提供了良好的发展环境[3]。近些年进步明显，国产车已经在市场占据了越来越多的分额。因此对于轮毂的研究也越多越多样化。
温志高，熊运昌，彭晓南[4]在分析和研究汽车轮毂轴管功能要求以及结构特征的基础上，进行了细致的分析，周密的计算，严谨的实验。他们提出了一种复合热挤压新工艺，这种工艺能满足产品质量要求和大批量生产要求。
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 2
1.3 国内外研究现状 3
1.4 本课题主要工作 4
2 轮毂的建模 5
2.1 轮毂的基本知识和设计标准 5
2.2 轮毂的建模过程 7
2.3 小结 9
3 ANSYS有限元分析 9
3.1 有限元的概念 9
3.2 导入有限元模型 11
3.3 加载和求解 13
3.4 结果后处理和结果查看 15
3.5 小结 15
4 轮毂的拓扑优化 15
4.1 拓扑优化的概念 15
4.2 轮毂模型的网格划分 16
4.3 施加载荷 18
4.4 有限元求解 19
4.5 拓扑优化 19
4.6 小结 20
5 优化设计 21
5.1 优化前的轮毂有限元分析 21
5.2 优化后的轮毂有限元分析 21
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
绪论
1.1 研究背景
随着能源、环境成为全球普遍关注的问题，汽车行业尤为突出。提高燃油的经济性，降低它的能量损耗及提高安全性能的重要举措之一就是减轻汽车的自身重量[1]。轮毂，即是我们日常生活中经常叫的车轱辘，它是汽车中不可缺少的基本零件。为了降低汽车自己本身的重量，使驾驶员获得更好的驾
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
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参 考 文 献 27
绪论
1.1 研究背景
随着能源、环境成为全球普遍关注的问题，汽车行业尤为突出。提高燃油的经济性，降低它的能量损耗及提高安全性能的重要举措之一就是减轻汽车的自身重量[1]。轮毂，即是我们日常生活中经常叫的车轱辘，它是汽车中不可缺少的基本零件。为了降低汽车自己本身的重量，使驾驶员获得更好的驾驶体验。选用重量较轻、耐腐蚀性较好、成型能力较好、可回收率较高、性价比高的铝合金作为主要工艺材料也是厂商日益关注的重点。同时，车辆在道路上运行的时候最重要的安全零件之一就是轮毂。它一般起到四个方面的作用：承载车子的质量，对轮子进行驱动以及制动，还有对方向进行导向。它内在的品质和安全性关系到车辆，车内人员以及车内物资的安全。如果轮毂的质量不够优异，会使车辆行驶过程中的不平稳、操纵性差，让人感到不舒适。
轮毂是汽车轮胎内以轴为中心，是轮胎内廓支撑轮胎的圆桶形的、中心装在轴上的金属部件用于支撑轮胎的圆柱形金属部件。起到连接制动鼓、轮盘和半轴的作用的重要部件。因此轮毂应满足一下条件：
(1)汽车轮毂用于撑持轮胎和连接传动轴进行运动，同时对汽车车身还有车内人和物品进行承载。所以汽车轮毂必须要有充足的强度。
(2)汽车轮毂要具备有很强的抗疲劳性能。因为在承受巨大的应力的同时还要要长时间运行。
(3)汽车长期处于高速运动，并且高速低速交替运动，同时经常要刹车。并且它还与制动鼓连接，因而它的散热性能必须要良好。就车辆的制动系统而言，轮毂必须要有一定的发散热量的性能，因为要对轮胎和制动系统的热量的进行散发。
(4)经常暴露在外面与空气水泥直接接触，所以不能容易被腐蚀，一定要有很好的抗腐蚀能力。
(5)作为汽车的一部分，从经济性的角度来说，惯性阻力要小，要有较轻的重量，从而减轻油耗。
(6)从外观方面来讲，外观一定要满足大众的审美要求，选材方面就显得很重要。所以材料也是设计中一个很重要的方面。
汽车的能运动最基础的部分就是车轮，因此轮毂的地位是十分重要的，轮毂的能力的好坏也决定了汽车的运行基本条件以及极端情况下的安全性能。这就使得对轮毂 的研究设计势在必行。
1.2 研究意义
在现代汽车工业飞速发展，从老式的木质轮毂，到钢铁质的轮毂，再到现在铝合金轮毂得普及，如图 1-1所示。同时伴随着时代的发展，人们不在满足汽车作为实用工具而更要求它有更高的美感，轮毂作为汽车基础部分，也已经成为各种汽车轮毂厂商进行美感设计的重点，如图1-2所示。
图1-1 老式轮毂
图1-2 各式各样的轮毂
轮毂失效断裂是非常可怕的。由于轮毂失效导致的车祸触目惊心。如图1-3所示。
图1-3 轮毂的失效断裂
重大灾难性的事故的发生，使得轮毂结构得到了国内外设计员的高度重视。若结构设计不合理则容易引起失效，因为轮毂的工作是受轮毂结构设计直接影响的。同样影响轮毂性能的是工作中的压力、温度和腐蚀。广义上讲，造成轮毂能力下降导致失效的因素很多，比如刚性变化、裂纹增长、溶胀或瞬间破坏等，另外高温的影响也不能忽略。综上所述，造成轮毂失效的因素多种多样。
汽车工业的飞速发展，以及人民日益提高的生活水平，汽车作为生活常用品，已经是不可逆的情况。因此，轮毂的安全性能的好坏，也成为各个国家研究人员研究的重点。
综上，轮毂研究的意义显而易见：
(1)通过有限元分析及优化，最大程度上降低轮毂失效的可能性，从而减少由此引起的经济损失。
(2)研究所得的结果将成为可靠地依据，为更好的进行轮毂设计提供了可能性。
(3)对失效进行有效判断，优化轮毂工作性能，提高效率。
显而易见，轮毂的重要性不言而喻，而决定其高效运行的最大因素是自身的结构。所以对于轮毂的研究势在必行。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国内研究
国有汽车轮毂企业正在开始新一轮的制度改进 ,绝大多数的非公有化及民营化企业在未来将成为推动中国轮毂行业的不可缺少的力量[2]。十一五期间，国民经济平稳高速发展，给汽车工业发展提供了良好的发展环境[3]。近些年进步明显，国产车已经在市场占据了越来越多的分额。因此对于轮毂的研究也越多越多样化。
温志高，熊运昌，彭晓南[4]在分析和研究汽车轮毂轴管功能要求以及结构特征的基础上，进行了细致的分析，周密的计算，严谨的实验。他们提出了一种复合热挤压新工艺，这种工艺能满足产品质量要求和大批量生产要求。
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