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畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
設(shè) 計(jì) 題 目:基于有限元分析的轎車(chē)鋁合金車(chē)輪設(shè)計(jì)
院 系 名 稱(chēng): 汽車(chē)與交通工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí): 車(chē)輛工程07-1班
學(xué) 生 姓 名: 沈維梁
導(dǎo) 師 姓 名: 石美玉
開(kāi) 題 時(shí) 間: 2011年3月11日
指導(dǎo)委員會(huì)審查意見(jiàn)：
簽字： 年 月 日
開(kāi)題報(bào)告撰寫(xiě)要求
一、“開(kāi)題報(bào)告”參考提綱
1. 課題研究目的和意義；
2. 文獻(xiàn)綜述（課題研究現(xiàn)狀及分析）；
3. 基本內(nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題；
4. 技術(shù)路線(xiàn)或研究方法；
5. 進(jìn)度安排；
6. 主要參考文獻(xiàn)。
二、“開(kāi)題報(bào)告”撰寫(xiě)規(guī)范
請(qǐng)參照《黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)及畢業(yè)論文撰寫(xiě)規(guī)范》要求。字?jǐn)?shù)應(yīng)在4000字以上，文字要精練通順，條理分明，文字圖表要工整清楚。
SY-025-BY-3
畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
學(xué)生姓名
沈維梁
系部
汽車(chē)與交通工程學(xué)院
專(zhuān)業(yè)、班級(jí)
車(chē)輛工程07-1班
指導(dǎo)教師姓名
石美玉
職稱(chēng)
教授
從事
專(zhuān)業(yè)
車(chē)輛工程、
交通工程
是否外聘
□是√否
題目名稱(chēng)
基于有限元分析的轎車(chē)鋁合金車(chē)輪設(shè)計(jì)
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
1、課題研究現(xiàn)狀
1）鋁合金車(chē)輪的起源，發(fā)展
長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，鋼制車(chē)輪在車(chē)輪制造業(yè)中占主導(dǎo)地位，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)車(chē)輛安全、環(huán)保、節(jié)能的要求日趨嚴(yán)格，鋁合金車(chē)輪以其美觀、質(zhì)輕、節(jié)能、散熱好、耐腐蝕、加工性能好等特點(diǎn)，逐步取代鋼制車(chē)輪。鋁合金車(chē)輪的出現(xiàn)到如今漸漸替代鋼制車(chē)輪是一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展階段。在20世紀(jì)初，一些熱衷于賽車(chē)的愛(ài)好者，為了能使車(chē)輛更輕以提高賽車(chē)速度，想方設(shè)法對(duì)車(chē)輛各零部件作輕量化的改進(jìn)，其中車(chē)輪是重點(diǎn)減輕的主要對(duì)象。1923年，Bugatti公司大膽地將砂型鑄造的鋁合金車(chē)輪裝上了賽車(chē)，加世紀(jì)30年代聯(lián)邦德國(guó)汽車(chē)聯(lián)合會(huì)、拜爾(BMW)發(fā)動(dòng)機(jī)公司及戴姆勒一奔馳汽車(chē)公司，正式將鋼制輻條式輪轂與鋁制扎制輪輞相結(jié)合的車(chē)輪裝上汽車(chē)，為鋁合金車(chē)輪的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。二次世界大戰(zhàn)和世界性的能源危機(jī)大大刺激了汽車(chē)商的輕量化需求。1945年汽車(chē)廠(chǎng)商紛紛開(kāi)展批量生產(chǎn)鋁合金車(chē)輪的研究，重要集中在鋁合金車(chē)輪的材質(zhì)和成形工藝方面，但由于車(chē)輪的特殊安全要求，仍未能實(shí)施批量生產(chǎn)。直至20世紀(jì)50年代末，聯(lián)邦德國(guó)還只能少量地生產(chǎn)鋁合金車(chē)輪。1970年末，拜爾發(fā)動(dòng)機(jī)公司率先將鑄造鋁合金車(chē)輪作為特殊部件裝到了2002型轎車(chē)上，1972年又在雙門(mén)小轎車(chē)上成批裝上了鑄造鋁合金車(chē)輪，開(kāi)始了鑄造鋁合金車(chē)輪批量用于轎車(chē)的新局面。
日本鋁合金車(chē)輪工業(yè)是在1970年后至1984年之間快速發(fā)展起來(lái)的，在1984年的年產(chǎn)量達(dá)640萬(wàn)件。意大利在1979年曾生產(chǎn)150萬(wàn)件。到1980年，西歐共生產(chǎn)700多萬(wàn)件鋁合金車(chē)輪(其中50%是鑄造鋁合金車(chē)輪)，并以年產(chǎn)6%~7%的速度遞增。1988年，美國(guó)生產(chǎn)的車(chē)輛中，鋁合金車(chē)輪已作為好幾種車(chē)型的系列部件，Pontiac SE車(chē)型的Grand Prix車(chē)更是采用了涂裝彩色條帶狀的鋁合金車(chē)輪。通用汽車(chē)公司生產(chǎn)的Gorvette車(chē)和另外兩種Grand Prix車(chē)型也采用了鋁合金車(chē)輪;Pontiao Fiero的一種新車(chē)采用了表面為黑色的鋁合金車(chē)輪;Dodge Dynasty車(chē)也把花邊式樣的鋁合金車(chē)輪裝了上去。同年，福特公司在Merkur Scorprio轎車(chē)上也裝上了鋁合金車(chē)輪，并把鋁合金車(chē)輪定為公司系列的標(biāo)準(zhǔn)件。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)原裝轎車(chē)鋁合金車(chē)輪裝車(chē)率大約4%一5%，如今已超過(guò)40%。而日本目前轎車(chē)鋁合金車(chē)輪裝車(chē)率超過(guò)45%，歐洲國(guó)家超過(guò)50%。
我國(guó)鋁合金車(chē)輪工業(yè)起步較晚，最早使用鋁合金車(chē)輪是在20世紀(jì)80年代初，國(guó)營(yíng)洪都機(jī)械廠(chǎng)將砂型鑄造的鋁合金車(chē)輪裝在邊三輪摩托車(chē)上，但是數(shù)量很少，未形成氣候。到加世紀(jì)80年代末，我國(guó)出現(xiàn)了第一個(gè)具有現(xiàn)代規(guī)模的戴卡輪轂制造有限公司，其規(guī)模和設(shè)備都進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。加世紀(jì)90年代初，在廣東出現(xiàn)了既生產(chǎn)汽車(chē)，又生產(chǎn)摩托車(chē)鋁合金車(chē)輪的南海中南鋁合金輪轂有限公司，這兩個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)的生產(chǎn)設(shè)備都已達(dá)到國(guó)際水平。但這段時(shí)期，因國(guó)內(nèi)汽車(chē)和摩托車(chē)對(duì)鋁合金車(chē)輪的裝車(chē)欲望還很低，鋼圈仍占據(jù)著絕對(duì)統(tǒng)治市場(chǎng)的地位。隨著我國(guó)公路設(shè)施的飛速發(fā)展，這兩個(gè)企業(yè)也分別在汽車(chē)、摩托車(chē)行業(yè)中積極地宣傳，鋁合金車(chē)輪開(kāi)始以極其迅猛之勢(shì)在全國(guó)得到推廣，生產(chǎn)鋁合金車(chē)輪的工廠(chǎng)也像雨后春筍般出現(xiàn)，蔓延至全國(guó)。2002年，我國(guó)轎車(chē)的鋁合金車(chē)輪裝車(chē)率已接近45%;摩托車(chē)的鋁合金車(chē)輪裝車(chē)率已逾50%。綜上所述，不難看出，鋁合金車(chē)輪是現(xiàn)代車(chē)輛輕量化、高速化、現(xiàn)代化的必然產(chǎn)物。
2）鋁合金車(chē)輪的制造工藝
目前，整體式鋁合金車(chē)輪的成形工藝有鑄造、鍛造兩大方法。全世界95%的鋁合金車(chē)輪采用鑄造工藝，鑄造又可細(xì)分為低壓鑄造、重力鑄造和擠壓鑄造。國(guó)外鋁合金車(chē)輪的制造方法以低壓鑄造為主，大概占全部產(chǎn)量的80%以上，少數(shù)企業(yè)采用鍛造法、焊接組裝法生產(chǎn)。最近，國(guó)外出現(xiàn)無(wú)氣孔壓鑄新工藝(充氧壓鑄法)，日本輕金屬株式會(huì)社、美國(guó)鑄鍛公司已開(kāi)始應(yīng)用于生產(chǎn)。
國(guó)內(nèi)鋁合金車(chē)輪制造普遍采用成本較低的低壓鑄造工藝，約占全部產(chǎn)量的80%以上，其次是采用最簡(jiǎn)便的重力鑄造工藝，約占其全部產(chǎn)量的20%不到。上海金合利采用擠壓鑄造工藝，其產(chǎn)品質(zhì)量都有提高，取得較好的效果。在鋁合金車(chē)輪加工方面，一般采用數(shù)控機(jī)床和高精度自動(dòng)化柔性加工系統(tǒng);采用自動(dòng)化涂裝工藝，噴粉技術(shù)在表面涂裝方面漸有替代噴漆之勢(shì)，少數(shù)企業(yè)還采用先進(jìn)的真空電鍍涂裝技術(shù);在熱處理試驗(yàn)檢測(cè)方面，基本都接近或達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。
3）基于CAD/CAE技術(shù)的設(shè)計(jì)方法
國(guó)外企業(yè)對(duì)CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，在汽車(chē)領(lǐng)域中有限元技術(shù)應(yīng)用也較為廣泛。如采用CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)，采用CAE技術(shù)計(jì)算汽車(chē)零部件的應(yīng)力和變形、進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的分析;采用多體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行汽車(chē)整車(chē)操縱穩(wěn)定性和行駛平穩(wěn)性的動(dòng)態(tài)仿真分析;采用有限元法進(jìn)行汽車(chē)碰撞分析、汽車(chē)噪聲分析、結(jié)構(gòu)疲勞分析、振動(dòng)模態(tài)分析等。國(guó)內(nèi)CAD技術(shù)運(yùn)用也較為普遍，許多汽車(chē)整車(chē)及相關(guān)零部件制造企業(yè)早已使用UG、PROE/、CATIA等計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件作為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的主要工具，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)。而CAE技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)人員的知識(shí)水平要求較高，因此應(yīng)用范圍有所局限，較多運(yùn)用于高校及學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的研究，在企業(yè)中涉足較少。但近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)于國(guó)際接軌，對(duì)企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)要求日漸提高，CAE技術(shù)也慢慢在企業(yè)中發(fā)展起來(lái)，不少大型生產(chǎn)企業(yè)已引進(jìn)大型有限元軟件并培訓(xùn)起自己的技術(shù)人員。實(shí)際應(yīng)用表明，有限元技術(shù)的應(yīng)用給企業(yè)帶來(lái)了許多實(shí)際效益。它使設(shè)計(jì)人員能在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行模擬仿真，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中潛在并予以修改，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，因此在汽車(chē)及其零部件的開(kāi)發(fā)過(guò)程中己占有無(wú)可替代的地位。CAD/CAE技術(shù)的提高對(duì)增強(qiáng)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)自主研發(fā)能力和企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力有著重要的意義。
在CAE技術(shù)中，有限單元法是其中運(yùn)用最成功、最廣泛的一種數(shù)值方法。它是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代計(jì)算方法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用。它首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域-飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效數(shù)值分析方法，隨后廣泛的應(yīng)用于熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等連續(xù)性問(wèn)題。有限元技術(shù)的日益成熟，使之應(yīng)用領(lǐng)域越發(fā)的廣泛，至今已遍及機(jī)械、土木、汽車(chē)、航空航天、材料、電子等工程領(lǐng)域。
有限元方法的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)假想成許多稱(chēng)為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，將求解域看成許多稱(chēng)為有限元的小的互相連接的子域組成，對(duì)每個(gè)單元假定一個(gè)合適的近似解，推導(dǎo)求解整個(gè)域的滿(mǎn)足條件的解，從而得到問(wèn)題的解。目前，我國(guó)工程領(lǐng)域運(yùn)用較多的大型分析軟件有ANSYS、I-DEAS、MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN、ABQAUS、ALGOR等。
2、課題研究目的和意義
實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，是汽車(chē)節(jié)能的最有效途徑之一。汽車(chē)減輕自重，不僅可減小汽車(chē)的行駛阻力，降低油耗，還有利于改善汽車(chē)的轉(zhuǎn)向、加速、制動(dòng)等性能，有利于降低噪聲、減輕振動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)大功率創(chuàng)造條件。同時(shí)輕量化帶來(lái)的低油耗，使汽車(chē)的廢氣排放減少，對(duì)環(huán)境的污染程度也減小。汽車(chē)輕量化有兩大途徑：一是采用輕量化材料，例如采用超高強(qiáng)度鋼板，鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵材料；一是優(yōu)化、更改汽車(chē)的結(jié)構(gòu)，縮小零部件尺寸，最大限度地減輕零部件的質(zhì)量。
全球汽車(chē)工業(yè)越來(lái)越注重汽車(chē)的輕量化，表現(xiàn)在鋁及其合金在汽車(chē)材料中所占的比重越來(lái)越大。鋁的比重是鐵的1/3，具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，其機(jī)械加工性能比鐵高4.5倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蝕性；鋁的鑄造工業(yè)性能也比較好，可以獲得薄壁復(fù)雜鑄件?，F(xiàn)代轎車(chē)日益廣泛使用鋁材，已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，例如轎車(chē)輪圈就是一個(gè)最明顯的例子，80年代初，大部分轎車(chē)還是使用鋼質(zhì)輪圈，而今絕大部分轎車(chē)都是用鋁合金輪圈了。本課題借助CAD軟件Pro/E，有限元分析軟件ANSYS作為虛擬樣機(jī)工具對(duì)給定的鋁合金車(chē)輪進(jìn)行強(qiáng)度分析，在保證強(qiáng)度和可靠性的前提下，對(duì)車(chē)輪進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步減少車(chē)輪質(zhì)量，降低成本。
二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題
1.設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
1)轎車(chē)鋁合金車(chē)輪的初步設(shè)計(jì)；
2)Pro/E建立車(chē)輪三維模型；
3)有限元進(jìn)行車(chē)輪強(qiáng)度靜態(tài)分析；
4)驗(yàn)證結(jié)果的可行性，改進(jìn)設(shè)計(jì)，完成設(shè)計(jì)。
2.擬解決的主要問(wèn)題
1)通過(guò)查閱車(chē)輪的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，初步確定車(chē)輪的參數(shù)、尺寸。
2)通過(guò)對(duì)ANSYS軟件的學(xué)習(xí)，掌握使用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析的方法。對(duì)車(chē)輪模型進(jìn)行強(qiáng)度靜態(tài)分析。
3)根據(jù)分析結(jié)果檢驗(yàn)車(chē)輪模型強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求，改進(jìn)設(shè)計(jì)。
三、技術(shù)路線(xiàn)（研究方法）
改進(jìn)設(shè)計(jì)
完成設(shè)計(jì)
是否滿(mǎn)足要求
用Pro/E建立三維模型
用ANSYS進(jìn)行強(qiáng)度靜態(tài)分析
驗(yàn)證結(jié)果可行性
輪輻設(shè)計(jì)
輪輞設(shè)計(jì)
車(chē)輪設(shè)計(jì)
車(chē)型選擇
四、進(jìn)度安排
（1）知識(shí)準(zhǔn)備、調(diào)研、收集資料、完成開(kāi)題報(bào)告 第1～2周（2.28～3.11）
（2） 整理資料、提出問(wèn)題、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)草稿、熟悉Pro/E、ANSYS軟件的使用 第3～5周（3.14～4.1）
（3）理論聯(lián)系實(shí)際分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，使用Pro/E、ANSYS軟件完成鋁合金車(chē)輪的三維設(shè)計(jì)、進(jìn)行強(qiáng)度分析等部分設(shè)計(jì)內(nèi)容，中期檢查 第6～8周（4.4～4.22）
（4）改進(jìn)完成設(shè)計(jì)，改進(jìn)完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，指導(dǎo)教師審核，學(xué)生修改 第9～12周(4.25～5.20)
（5）評(píng)閱教師評(píng)閱、學(xué)生修改 第13周（5.23～5.27）
（6）畢業(yè)設(shè)計(jì)預(yù)答辯 第14周（5.30～6.3）
（7）畢業(yè)設(shè)計(jì)修改 第15～16周（6.6～6.17）
（8）畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 第17周（6.20～6.24）
五、參考文獻(xiàn)
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[3]劉惟信.汽車(chē)設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社[M]，2006.1
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六、備注
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
簽字： 年 月 日