镁合金汽车轮毂结构设计及真空高压铸造工艺研究

摘要

轮毂作为汽车重要的安全部件，其结构不仅决定整车的可靠性，安全性和驾乘性能，而且还是汽车重要的外观装饰件。镁合金作为理想的轻量化金属材料材料，在汽车上应用具有显著的节能减排优势。本课题以长安某款16*6.5J轿车轮毂为基础，在不改变装配要求和主要外观形状下设计一款镁合金轮毂。
　　完成的主要研究内容和得到的主要结果如下：
　　1.鉴于镁合金的铸造工艺特性和采用双重补压真空压铸工艺铸造轮毂，在结构再设计中将轮辋厚度均匀化，轮辐设计为十辐条形式，并用CATIAV5R19建立了轮毂的三维数字模型。基于汽车车轮强制台架实验标准，建立了轮毂径向载荷试验、弯曲疲劳试验和冲击试验力学模拟并进行了服役状态分析分析，然后根据分析结果完成了轮毂的服役结构优化。最后设计了轮毂铸造工艺，并通过数字分析优化了工艺设计、确定了最佳工艺参数组合。
　　2.在径向载荷模拟中将转鼓与车轮间的载荷简化到轮辋胎圈座部位施加的面载荷，利用ANSYS软件确定了轮毂在径向载荷作用下出现在轮缘处的最大应力过大(136.7MPa)，需需通过结构优化提高安全系数。为此，将轮缘厚度从5.5mm加厚到6.5mm、轮辐截面宽度增加2mm后，最大应力被降低到101MPa，满足服役性能要求。
　　3.在弯曲疲劳模拟中加载力臂1m处加载弯曲力2310N，利用ANSYS软件模拟轮毂在弯曲疲劳载荷下出现在轮辐间通风口靠近轮芯处的最大应力为98.2MPa，拟合录入AM60B的S-N曲线，依据Miner损伤理论模拟出轮毂最大应力处的疲劳寿命为30万次，高于轮毂大于等于10万次的最低循环次数要求，确定了该设计在弯曲疲劳载荷下是安全的。
　　4.在冲击试验有限元模拟中，利用CATIA软件建立冲击系统力学模型，通过显示算法，利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟出轮毂冲击瞬间的状态，得到轮毂在冲击过程的应力分布情况，冲击块在冲击瞬间的位移、速度以及动能的变化曲线。
　　5.最后，设计了镁合金汽车轮毂的铸造工艺方案，并用Anycasting软件进行了工艺过程模拟与优化。最终确定轮毂采用扇形横浇道边缘进浇方式铸造，最佳工艺参数组合为：浇注温度为680℃，模具预热温度为250℃，慢压射速度0.2m/s，快压射速度为3m/s。

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英文摘要

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1 绪 论

1.1 前言

1.2 轮毂研究现状

1.3 课题研究意义和内容

2 镁合金汽车轮毂结构设计

2.1 镁合金轮毂设计原则及要求

2.2 轮毂铸造工艺性能及成型工艺要求

2.3 真空压铸技术的研究现状

2.4 轮毂造型设计

3 轮毂径向及弯曲疲劳有限元分析

3.1 理论基础

3.2 试验标准

3.3轮毂径向载荷及弯曲疲劳有限元模型

3.4轮毂径向载荷有限元分析

3.5 轮毂弯曲疲劳有限元分析

3.6有限元法预测车轮弯曲疲劳寿命

4 轮毂13°冲击有限元分析

4.1 动力学分析概述

4.2 LS-DYNA介绍

4.3轿车车轮冲击试验标准

4.4轮毂冲击有限元模型

4.5轮毂冲击有限元分析

5 轮毂优化设计及分析

5.1轮毂优化设计

5.2 轮毂优化分析

6 轮毂真空压铸工艺数值模拟

6.1 合金充型过程的数值模拟

6.2 合金凝固过程的数值模拟

6.3 真空压铸轮毂铸造工艺优化

7 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 攻读硕士学位期间主要参与的科研项目