铝合金轮毂受力状态的有限元分析与优化设计

摘要

铝合金轮毂不仅是摩托车重要的结构零件．而且又是外观件、安全件。除了要求其轻量化外，还需要美观、牢固．通过传统的经验设计方法很难找到其最佳平衡点，但用计算机辅助工程CAE 方法进行设计则是解决此问题的非常有效的手段。如何确保轮毂在性能和使用要求的前提下，减轻轮毂重量、缩短产品研发周期，降低生产成本，已成为我国摩托车设计制造业中所要急需解决的问题之一。
　　 本文采用现代设计方法，对铝合金轮毂进行造型设计、有限元分析、疲劳寿命预测及优化设计。首先，使用UG 软件对铝合金轮毂进行参数化三维造型设计；
　　 再根据摩托车铝合金轮毂所承受载荷的特点，确定采用安全寿命设计方法对该轮毂进行疲劳分析和名义应力法进行疲劳寿命预测；在A356 铝合金材料S-N 曲线基础上，结合轮毂疲劳寿命的影响因素，绘制出零件的S-N 曲线。其次，按照摩托车行业标准中轮毂疲劳性能的试验方法，对该轮毂进行动态弯曲疲劳试验和扭转疲劳试验的有限元分析，确定出弯矩载荷作用下，应力集中区域主要位于辐条与轮芯过渡圆角处，最大应力值为84.061MPa，并预测出弯曲疲劳寿命为384.7 万次循环，满足设计要求，存在优化的潜力；在扭矩载荷作用下，应力集中部位是轮辐靠近轮芯的圆弧处以及轮辐与轮辋交接的圆角处，最大应力值为42.319MPa，并预测出扭转疲劳寿命为2386 万次循环，不仅满足设计要求，还存在更大的优化潜能。再次，根据上述两个试验的有限元分析结果并结合国内实际铸造工艺水平找到轮毂结构的最终优化设计方案：减薄轮辐厚度0.5mm，轮辋厚度从原来的5.2mm 减小到4.8mm，轮辐靠近轮芯处过渡圆角的半径从30mm 增加到60mm。经过最终优化后的轮毂应力分布更加均匀，轮毂重量从4.75 公斤减轻到4.49 公斤，比优化前减轻了5.5％；得出优化后轮毂的弯曲疲劳寿命为49.71 万次循环，比优化前降低了87.1％；扭转疲劳寿命为428.3 万次循环，比优化前降低了82.1％，但轮毂的疲劳寿命值仍然满足设计要求，在规定使用期内，不会发生疲劳破坏，所以该优化结果是可靠的。

目录

文摘

英文文摘

1 绪 论

2 轮毂疲劳寿命预测方法的确定及其S–N 曲线绘制

3 铝合金轮毂动态弯曲疲劳试验有限元分析

4 铝合金轮毂扭转疲劳试验有限元分析

5 铝合金轮毂优化设计

6 结论与展望

致 谢

参考文献

附录A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录