汽车高强钢车轮设计方法及其轮辐成形工艺研究

摘要

高强度钢在汽车车轮上的应用，对于汽车的节材减重与降耗减排具有显著效果。本文主要对高强钢车轮的设计方法以及轮辐的成形工艺进行了研究。通过将板料成形过程有限元分析、有限元结构分析等CAE技术以及三维参数化设计技术运用到车轮的设计和开发过程中，实现车轮的成形工艺和车轮结构的优化设计，达到快速、准确、低成本、高效率的设计制造车轮的目的，为高强度钢车轮的设计开发以及车轮的轻量化提供科学指导。
　　 (1)通过单向拉伸试验测得RCL590高强钢的材料参数，利用板料成形模拟软件Dynaform对该材料轮辐（14×5.5J型）的关键成形工艺拉深和翻边进行了研究，结果表明其冲压成形性能良好，据此确定了RCL590高强钢轮辐的最终成形工艺方案：落料冲孔、初拉深、反拉深、中心孔翻边、冲螺栓孔底孔、挤螺栓孔锥角、冲通风孔、外缘翻边。
　　 (2)以有限元分析软件MSC.Patran和MSC.Marc为平台，研究了车轮的弯曲疲劳试验和径向疲劳试验的有限元仿真建模方法。在弯曲疲劳试验模型中，建立了加载杆与车轮的CAD模型，两者设定为同种材料，车轮固定不动。通过用户子程序Forcem对Marc进行二次开发，设定一个随积分点位置变化而发生移动的均匀分布载荷，使载荷自动沿加载杆端部外表面顺序移动一圈，从而实现了对车轮的弯矩动态加载。车轮的径向疲劳强度一般远高于其弯曲疲劳强度，其寿命分析可简化计算。在径向疲劳试验模型中，将径向疲劳动态分析转化为静态分析，只考虑某一时刻（车轮相对静止）转鼓与轮胎接触时车轮的受力情况（不考虑轮胎）。同时，建模时利用车轮的结构和载荷的对称性，只取一半进行分析。
　　 (3)利用建立的车轮台架试验有限元模型，对比分析了22.5×9.00J型钢制车轮的三种设计方案，重点研究了轮辋局部厚度减薄对车轮整体强度和寿命的影响，为旋压技术在高强钢车轮中的应用提供了指导。结果表明，弯曲疲劳试验主要测定轮辐的疲劳性能，径向疲劳试验主要测定轮辋的疲劳性能。在弯曲疲劳试验的加载周期内，轮辐通风孔附近是主要的应力集中区，应力危险点在各个时间工步的等效Von Mises应力值符合正弦曲线变化规律，随着轮辋旋压区域的扩大，通风孔周围的潜在危险点数目增加，但应力最大值没有明显变化，不过轮辋与轮辐的应力水平差距明显缩小。在承受径向载荷时，车轮的轮辋比轮辐更容易受到强度破坏成为潜在危险区，轮缘与胎圈座的倒圆处（轮缘过渡圆）、胎圈座与凹槽的过渡处（槽顶圆）及轮辋体两凹槽之间的圆弧连接处，均为存在应力集中的薄弱区域。随着轮辋旋压区域的扩大，其各处的应力值大小显著增加，在拟旋压的右侧槽顶圆附近达到最大。旋压设计应避免在上述危险区域进行，而应集中在靠近轮辐侧的胎圈座和凹槽周围。
　　 (4)以三维造型软件UG为平台，综合应用UG部件族电子表格和UG/Open系列工具开发了车轮轮辋的的三维参数化设计标准件库。在开发过程中，分别利用部件族创建轮辋自由变化参数的数据库，UG/Open MenuScript编制用户菜单，UG/Open UIStyler设计用户对话框，UG/Open API和C语言联合开发调用程序，最后实现了车轮轮辋的快速精确设计。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 高强度钢在汽车车轮生产中的应用

1.3 数值模拟技术在汽车车轮生产中的应用

1.3.1 有限单元法

1.3.2 板料成形数值模拟

1.3.3 结构强度数值模拟

1.3.4 国内外研究现状

1.4 本文研究的主要内容及意义

1.4.1 主要内容

1.4.2 研究意义

第二章 基于DYNAFORM的汽车钢制轮辐成形模拟

2.1 引言

2.2 钢制轮辐关键成形工艺

2.2.1 拉深工艺

2.2.2 翻边工艺

2.3 板料成形模拟软件Dynafoml

2.3.1 软件简介

2.3.2 冲压成形模拟的关键技术

2.3.3 仿真结果及成形性分析

2.4 板料单向拉伸实验

2.4.1 塑性应变比r值

2.4.2 应变硬化指数n值

2.4.3 实验过程及结果

2.5 高强钢轮辐成形数值模拟

2.5.1 初拉深

2.5.2 反拉深

2.5.3 中心孔翻边

2.5.4 轮辐成形工艺确定

2.6 本章小结

第三章 汽车车轮结构有限元分析

3.1 引言

3.2 车轮台架试验

3.2.1 车轮弯曲疲劳试验

3.2.2 车轮径向疲劳试验

3.3 建模软件概述

3.3.1 MSC.Patran

3.3.2 MSC.Marc

3.4 车轮弯曲疲劳试验有限元模型的建立

3.4.1 几何模型的创建

3.4.2 网格的划分

3.4.3 材料及单元属性的设定

3.4.4 加载杆模型的建立

3.4.5 边界条件的施加

3.4.6 接触的定义

3.4.7 载荷工况的定义及运算的提交

3.4.8 算例结果分析

3.5 车轮径向疲劳试验有限元模型的建立

3.5.1 几何模型的创建

3.5.2 网格的划分及材料的定义

3.5.3 边界条件的施加

3.5.4 算例结果分析

3.6 本章小结

第四章 基于疲劳试验的变厚度轮辋的设计研究

4.1 旋压技术在钢制车轮中的应用

4.2 变厚度轮辋的弯曲疲劳试验模拟

4.2.1 方案1

4.2.2 方案2

4.3 变厚度轮辋的径向疲劳试验模拟

4.3.1 方案1

4.3.2 方案2

4.4 本章小结

第五章 基于UG平台的轮辋标准件库的建立

5.1 引言

5.2 UG参数化造型

5.2.1 参数化造型概述

5.2.2 软件平台的选择

5.3 基于UG的三维参数化标准件建库方法

5.3.1 部件族电子表格法

5.3.2 程序设计法

5.4 UG二次开发相关技术及应用

5.4.1 UG/Open MenuScript及用户菜单编制

5.4.2 UG/Open UIStyler及用户对话框设计

5.4.3 UG/Open API及调用程序开发

5.5 轮辋标准件库的实现过程

5.5.1 用户文件目录的创建及环境变量的设定

5.5.2 UG中轮辋部件族的建立

5.5.3 配置Visual C++ 6.0开发环境

5.5.4 轮辋标准件库的使用

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

学位论文评阅及答辩情况表