基于有限元法的铝合金轮毂耐冲击研究

论文摘要

铝合金轮毂是汽车上的重要零件,质量轻,强度高和美观是对其主要的设计要求。运用有限单元法来分析轮毂结构可以很好地平衡这些设计要求,而铝合金轮毂的耐冲击性是设计中主要的强度指标。轮毂受冲击的过程属于有限元法中的接触碰撞问题,它是集材料非线性,几何非线性和界面非线性的高度非线性行为。本论文以三维造型软件UG和非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA为工具,建立了包括铝合金轮毂,轮胎和冲击块在内的非线性有限元力学模型。有限元模型的建立考虑了轮毂和轮胎在冲击过程中实际受力的情况;结合试验定义了铝合金的材料参数;依照ANSYS/LS-DYNA接触算法中罚函数方法的要求定义了轮毂与冲击块和轮胎与冲击块的接触;同时根据轮毂各部位的结构和功能特点在有限元网格划分时运用了分块划分的方式,大大降低了单元和节点数量,提高了计算效率。对所建立的非线性有限元模型进行数值模拟和仿真,得到了冲击块的位移,速度,加速度和系统能量变化曲线以及轮毂各部位应力分布变化情况。以实际试验对冲击块在两个特定冲击点的下落时间进行了验证,研究了不同材料特性对应力分布的影响,对危险部位失效的可能性进行了预测,以实际冲击试验对两个不同冲击部位进行试验验证。该有限元模型的建立和分析方法为轮毂设计人员在前期开发时提供了有益的思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的工程背景
• 1.2 国内外相关文件综述
• 1.3 课题来源,意义,研究内容和方法
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 课题意义
• 1.3.3 研究内容
• 1.3.4 研究方法
• 第二章 非线性有限元理论
• 2.1 有限元法的非线性问题
• 2.1.1 有限单元法的实质
• 2.1.2 有限元法的非线性问题
• 2.2 材料非线性问题
• 2.2.1 塑性力学理论
• 2.2.2 铝合金材料本构关系
• 2.3 几何非线性问题
• 2.3.1 几何非线性问题的特点
• 2.3.2 大变形条件下应力和应变的度量
• 2.3.3 轮毂冲击试验中的几何非线性
• 2.3.4 超弹性
• 2.3.5 超弹性材料本构关系
• 2.4 接触过程中的界面非线性
• 2.4.1 界面非线性的内容
• 2.4.2 接触界面条件
• 2.4.3 接触问题求解过程
• 2.4.4 动态接触算法
• 2.4.5 显示算法和隐式算法
• 2.4.6 沙漏及其控制技术
• 第三章 轮毂耐冲击非线形有限元力学模型的建立
• 3.1 轮毂冲击试验几何模型
• 3.1.1 模型建立前的问题规划
• 3.1.2 生成几何模型
• 3.1.3.轮毂结构及功能
• 3.1.4 几何模型修改
• 3.2 有限元分析软件
• 3.3 轮毂冲击试验有限元模型的建立
• 3.3.1 几何模型导入
• 3.3.2 单位制
• 3.3.3 单元选择
• 3.3.4 材料属性定义
• 3.3.5 网格划分
• 3.3.6 创建Part 和组件
• 3.3.7 定义接触
• 3.3.8 定义约束
• 3.3.9 定义初速度
• 3.3.10 定义载荷
• 第四章 有限元数值模拟和仿真及试验验证
• 4.1 数值模拟结果及分析
• 4.1.1 冲击块运动数值模拟结果及分析
• 4.1.2 能量变化分析
• 4.2 轮毂冲击试验
• 4.2.1 试验样品
• 4.2.2 试验装置
• 4.2.3 试验要求
• 4.2.4 判定准则
• 4.3 数值模拟结果局部验证
• 4.4 冲击效果仿真及应力分析
• 4.4.1 冲击位置位于气门孔上方
• 4.4.2 冲击位置位于轮辐正上方
• 4.5 试验验证
• 4.6 轮毂失效风险预测的研究
• 4.6.1 材料特性对轮毂耐冲击性的影响
• 4.6.2 轮幅厚度变化对轮毂耐冲击性的影响
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文