基于UG的“凤舞”汽车轮毂___三维建模及有限元应力分析_毕业设计论文(38页).doc

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1、-基于UG的“凤舞”汽车轮毂_三维建模及有限元应力分析_毕业设计论文-第 32 页 毕业设计（论文） 题 目：基于UG的“凤舞”汽车轮毂 三维建模及有限元应力分析 院（系）别： 机电及自动化学院 专 业： 机械工程及自动化 级 别： 2008 学 号： 0811113026 姓 名： 林 飞 指导 老师： 黄致建 华侨大学教务处2012年6月摘 要现今的汽车车轮设计是汽车造型设计中一个不可遗漏的重点，车轮不仅要满足承重、通风（制动器散热）的需要，而且车轮造型直接关系着汽车车身设计的品位和档次。因此，如何进行车轮的造型设计，如何设计出有风格特色和审美情趣的车轮已成为车轮制造厂和设计者们最关心的问

2、题，眼下越来越多的新技术正逐渐被应用到车轮的设计和开发上来。轮毂是车辆行驶系的主要部件之一，是汽车与地面之间的传力元件，起着承载、转向、驱动、制动等作用。近年来，随着车速的提高，轮毂的性能成为直接影响汽车制动安全性、操纵稳定性、行驶平顺性等重要指标的关键因素美国一份关于卡车事故的研究报告指出：在1588 起事故中，有33 .5是“车轮、轴承和轮胎”组件的失效所造成的，其中轮毂紧固件又占了很大的比额。事故原因归于轮毂的部分是如此之大，因此就有必要对轮毂的强度和刚度进行研究。 本课题通过对中国传统文化的研究，归纳轮毂造型设计的要素，原则及其方法；并将其融合到汽车轮毂的造型设计中，从汽车造型的基本特

3、征入手，结合视知觉心理学及工业设计美学，融入中国传统文化元素，进行具有中国特色的轮毂造型设计；运用UG三维建模及有限元分析技术,分析结构，进行模拟实验，以期设计出造型与结构一体化的具有中国特色的汽车轮毂。本课题主要研究课题如下： 1.模拟车轮径向疲劳试验，确定合适的载荷及边界条件。2.模拟车轮弯曲疲劳试验，确定合适的载荷及边界条件。综上所述，本课题对车轮的造型结构设计及其结构的应力分析方面进行了研究，为设计出具有中国特色的轮毂并检验其性能提供了依据。关键词：中国元素 UG 有限元 疲劳仿真Abstract The modern automobile wheel design is a miss

4、ing focus in automotive design , the wheel not only to meet the needs of load-bearing , ventilation (brake cooling), and the wheel shape is directly related to the quality and grade of the car body design . Therefore, how the design of the wheel , how to design a unique style and aesthetic appeal of

5、 the wheel has a wheel manufacturing plant, and the designers are most concerned about , and now more and more new technologies are gradually being applied to the design of the wheel up and development .Wheel vehicle department one of the main components of the force transfer between the components

6、in the car with the ground, and plays a role in carrying, steering, drive, brake. In recent years, as the speed increases, the performance of the wheel has become the key factor of a direct impact on automotive braking safety, handling and stability, an important indicator of driving and ride comfor

7、t. The study reported that the U.S. with a truck accident: in the 1588 accident, 33.5% is caused by the failure of the wheels, bearings and tire components, wheel fasteners accounted for a large scale . The cause of the accident is attributed to the part of the wheel is so large, so it is necessary

8、to study the strength and stiffness of the wheelThis issue through the study of traditional Chinese culture , summed up the wheel design elements , principles and methods ; and integrated into the design of the car wheels , starting from the basic characteristics of the automotive styling,combined w

9、ith the visual perception psychology and industrial design aesthetics, into the elements of traditional Chinese culture with Chinese characteristics for the wheel designing ; using UG three-dimensional modeling and finite element analysis technology to analyze the structure, conducting simulation ex

10、periments in order to design the car wheels.with the integration of style and structure with Chinese characteristics,.The main subject of research topics are as follows:1. Analog wheel radial fatigue tests to determine the appropriate load and boundary conditions .2. Analog wheel bending fatigue tes

11、t to determine the appropriate load and boundary conditions. In summary, the wheel shape structure design and stress analysis of the structure, the subject of study for the design of the wheels with Chinese characteristics and provides a basis to test its performance.Keywords : Chinese elements UG F

12、inite element Fatigue Simulation 目 录第一章 绪论11.1课题的研究目的和意义11.2国内外研究的现状及发展趋势21.3研究内容61.3.1研究内容61.3.2. 课题创新点6第二章 理论基础与软件介绍72.1有限元法原理72.1.1有限元法概述72.1.2 弹性力学基本方程72.2.3结构有限元分析过程82.2 UG NX软件简介102.3本章小结11第三章 凤舞汽车轮毂的结构设计123.1凤舞汽车轮毂的结构设计123.1.1整体造型123.1.2轮辋123.1.3轮辐153.2 汽车轮毂模型的建立163.3本章小结17第四章 凤舞汽车轮毂的径向疲劳分析18

13、4.1 UG NX7.5静态结构分析184.2车轮径向疲劳试验194.2.1车轮径向疲劳试验简介194.2.2车轮径向载荷计算204.3 凤舞汽车轮毂径向疲劳仿真过程214.3.1材料参数214.3.2网格划分214.3.3载荷和约束224.4轮毂有限元结构结果分析244.5本章小结29第五章 凤舞汽车轮毂的弯曲疲劳分析305.1车轮弯曲疲劳试验305.1.1车轮弯曲疲劳试验简介305.1.2车轮弯曲载荷计算315.2车轮弯曲疲劳试验模型的建立315.2.1建立车轮弯曲疲劳试验几何模型315.2.2建立车轮弯曲疲劳试验有限元模型315.2.3施加边界条件及载荷325.3求解计算及结果分析335

14、.4本章小结37第六章 结论与展望386.1主要结论386.2工作展望38参考文献40致谢42附录：凤舞汽车轮毂CAD图43第一章 绪论1.1课题的研究目的和意义 本课题研究的目的是：（1）学习和掌握UG软件的3D建模、有限元分析功能；（2）针对实际工程结构，完成其3D几何建模、网格划分、强度分析，熟悉 UG软件的相关功能；（3）综合运用所学专业知识，独立完成工程结构件的强度分析。本课题研究从汽车造型的基本特征入手，结合视知觉心理学及工业设计美学，融入中国传统文化元素，进行具有中国特色的轮毂造型设计；利用UG三维软件建立模型，并用有限元法分析结构，进行模拟实验，旨在设计出造型与结构一体化的具有

15、中国特色的汽车轮毂。在科技高速发展的今天，汽车工业已经成为了当今国民经济的主要支柱产业之一，随着人们生活质量的提高，轿车成为了人们生活的一部分。据 2010 年汽车销量排行榜，上海通用以 1038988 辆的销售量取得了销售量冠军，同比增长达到了 42.8%，其中别克品牌全年销量 550014 辆，同比增长 23%，雪佛兰品牌全年销量471575辆，增幅为73%，凯迪拉克品牌销售17366辆，同比增长139%，另外上海大众也突破了百万辆销售记录，成为国内第二家产销突破百万辆的汽车企业，于此同时，国内的民族品牌吉利和长城也都有良好的销售，分别同比增长 22%和 98%，随着汽车销售量的剧增，车轮

16、的需求也在不断提高，提供高质量低成本的车轮对车轮厂提出了更高的要求。汽车行业的飞速发展，在给人们带来便利的同时，也造成了一些问题，例如能源、安全和环境等。车辆在减少能源消耗方面，减轻整车重量是一个有效途径，但是，整车轻量化的同时，可能对汽车的安全造成影响，因此有必要在保证汽车强度和刚度符合要求的前提下，对汽车进行轻量化设计。车轮的主要功能是与轮胎一起支撑整车、缓解路面给车体带来的冲击力，同时车轮通过轮胎同轮眉间的摩擦力来产生驱动力和制动力。当汽车转弯行驶时产生平衡离心力的侧抗力，为了保证汽车正常转向行驶，通过车轮产生的自动回正力矩，使汽车保持直线行驶方向。科技的不断进步，车轮形式呈多样化发展，

17、人们越来越注重汽车的外观、经济性和舒适性，这就使得汽车行业竞争越来越激烈，同时给汽车生产商提出越来越多的要求，车轮作为汽车上的主要零部件也需要不断地提高性能。目前，车轮生产商在保证车轮强度和刚度的情况下，尽力使车轮朝着轻量化和美观化的方向发展，无论是从客户还是从生产商来讲都是意义重大的，现在车轮企业已经使用有限元技术来指导车轮的开发设计过程【1】。本课题通过对中国传统文化的研究，归纳轮毂造型设计的要素，原则及其方法；并将其融合到汽车轮毂的造型设计中，运用UG三维建模及有限元分析技术使其不仅做到结构轻量化同时又满足人们对审美的需求，以期为汽车轮毂造型设计与结构设计提供好的方法。1.2国内外研究的

18、现状及发展趋势 车轮和汽车的发明、改进，使人类的交通运输发生了革命性的改变，对人类文明产生了极为重要的影响。车轮的发展经历了漫长的历史过程：最早的汽车车轮继承于马车，密密麻麻的辐条是这个时期车轮的主要特点，而且这个时期的车轮轮毂、轮辋的概念都是非常明确的，并不像现在我们所说的车轮这样包括了轮胎和车轴之间的整个部分。轮辋是指紧贴胎唇的部分，轮毂是指套在车轴外层的部分，辐条呈放射状由轮毂发散到轮辋。轮辋、轮毂、辐条，三者是可分离的，并不是一体的。随着科技的进步，工业的发展，在19世纪末20世纪初的这段时间，轮辋、轮毂、辐条开始通过铸造工艺合为一体。此后不久，随着轮胎工艺的发展，我们非常熟悉的钢（铁

19、）车轮出现了，后来爱美的人们发明了一个东西叫车轮盖，一般用塑料制成，盖在钢车轮外层。车轮盖开始是为了“遮丑”。 现在，铝合金车轮成为主流【2】。车轮是车辆承载的重要安全部件,对它的安全性要求很高。它除了受正压力外, 还承受因车辆启动、制动时扭矩的交互作用, 以及行驶过程中转弯、冲击等来自各个方向的不规则受力。车轮在高速旋转中, 还影响车辆的平稳性、操作性等性能。当前国际先进的汽车设计，一是考虑它的安全性，；二是考虑它的节能性；三是考虑它的简易操作性。特别是现在全球能源紧张，石油价格不断攀升，如何降低能源的消耗以及缓解对环境的污染已成为汽车设计界的主要关注问题。而在降低能耗的一个关键因素就取决于

20、汽车自身的重量，降低汽车自重一般采用两种方法，一是在提高材料强度和可靠性的基础上，利用有限元分析法使汽车结构实现最优化设计，使零部件合理化、薄壁化、中空化、小型化等;二是采用轻量化材料。车轮，是汽车的“鞋子”。具体来讲，“鞋底”是车轮胎，“鞋帮儿”则是轮毂。其中轮毂由轮辋和轮辐构成。轮毂一方面通过轮辋与轮胎配合，另一方面通过轮辐与车桥相连，发挥其承载、行驶、转向、驱动和制动等作用。而其中有资料表明，轮毂质量的减轻对于燃油经济性的提高效果要比减轻汽车其它部件的质量要大的多，而且试验表明，汽车轮毂 (轮辋、轮辐部分)在满足其使用性能要求的基础上存在着减轻质量的潜力【3】。因此，虽然至今汽车轻金属材

21、料主要仍是集中用在车身上，但是在转动件和振动件中的用量也在与日俱增，按质量计，轮毂占首位。尽管我国汽车工业发展迅速，但与工业化的汽车强国相比还存在不少差距，其中之一便是汽车用材与国外存在一定差距，汽车铝化率还比较低，以轿车最为突出，一般轿车单车耗铝量仅为40-50kg左右，随着世界汽车轻量化进程的加快，特别是加入WTO后，汽车市场竞争国际化日趋激烈，汽车的节能化、轻量化成为我国汽车工业发展的必要趋势。轮毂造型设计方法研究 汽车类型不同，所选用的车轮结构也不尽相同，国际上对于车轮轮毂造型的设计已趋于成熟，每个国家在设计过程中都融入了自己的民族文化特色。也是西方国家在激烈的市场竞争中保持不败的一大

22、筹码【4】。而我国在这一领域的创新设计方面严重不足，具有中国特色的车轮设计几乎没有，即使是国产汽车的车轮也大多延用国外的造型。因而有必要结合设计美学，人机工程学及中国传统文化元素，开展汽车轮毂的造型设计研究，创造出具有中国民族特色以及自主知识产权的产品。2005年美籍华人,汽车资深设计师陈聪仁谈论中国的汽车设计时提出了中国汽车设计应体现本土特色的观点【5】。2007年王谦在ART PANORAMA上发表的论文中总结了现阶段国内外汽车造型的现状，认为现在我国的汽车造型设计不但要学习西方经验而且要坚持自己的特色，将中华民族传统文化融入潮流从而焕发出新的光彩【6】。2008年孙利在包装工程上发表的论

23、文中论述了汽车轮毂造型本土化设计的4种方法。对提高中国轮毂造型的本土化设计水平，拓展中国汽车轮毂的国际市场具有重要意义和影响【7】。2009年南京华舜轮毂有限公司/陆斌等在MC现代零部件上发表的论文中介绍了现有的一些时尚车轮设计【8】，让我们在感叹轮毂设计的多姿多彩的同时，也在深思中国汽车设计的未来。同期的湖南科技大学工业设计系的王沈策等发表的论文中分析了汽车造型与中国传统文化的关联性。提出了如何利用工业设计中的感性工程学的系统理论来设计汽车的外观造型【9】。这也为我们在车轮造型设计过程中融入中国传统艺术文化提供了借鉴。有限元法的研究 国际上对车轮性能和结构的研究最初都只是采用经验类比的方法，

24、然后按材料力学公式进行结构强度校核。随着测试技术的发展，人们逐渐开始使用应变电测技术、脆漆法对车轮进行试验。除此之外人们还采用了疲劳试验、道路试验、应力测试方法对车轮进行测试。虽然这些方法均真实可靠，但是只能对已生产出来的的车轮结构进行研究分析，而且得不到车轮整体应力分布规律，无法对结构进行深入细致的研究，因此不能实现在设计阶段就对车轮结构性能进行预测，不能解决车轮设计中遇到的问题【10】【13】。二十世纪七十年代开始，有限元法的出现为机械零部件的结构强度研究提供了强有力的分析工具，特别是随着计算机水平的发展，CAD技术的广泛应用，以及有限元软件的出现使人们开始尝试用有限元方法研究车轮结构。目

25、前，国际上的许多车轮生产厂商、供应商，如Hayes Lemmerz International、Accuride corporation及American Eagle Wheel Corporation等，都已经广泛采用计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）软件如Pro/engineerUG等实现了产品的虚拟设计，并运用如:MAC、Ansys等计算机辅助工程软件进行强度校核、寿命分析及优化设计。这不仅大大的缩短产品的设计生产周期，而且有效的保证了产品的使用性能，提高了产品的使用寿命，使企业在激烈的市场竞争中具有强有力的竞争能力【14】【16】。然而，从目前整个车轮行

26、业来看，我国车轮设计研究工作的方法和手段都比较落后。绝大多数的车轮厂商仍然沿用传统经验设计方法对车轮进行设计研究，为了了解车轮的结构性能，大多数厂商采用试验法，即在车轮设计生产出来以后，也要进行架试验和路试。这样不仅浪费大量人力物力，而且延长设计周期，难以实现结构设计的优化，特别是不能在设计阶段就对车轮进行精确的计算和预测。近些年来，国内外许多学者在运用有限元方法进行车轮设计方面取得了许多有意义的成果。2000年U.Kocabicak在Engineering Failure Analysis上发表的论文中以某型号客车车轮为研究对象，模拟弯曲疲劳试验时车轮所受的载荷及约束情况，运用有限元分析软件

27、分析了车轮在疲劳试验中出现的最大应力值以及危险应力点的位置，并与车轮弯曲疲劳试验进行对比验证该分析的可靠性【17】。2003年M.Carboni,S.Beretta,A.Finzi在Engineering Failure Analysis发表的论文中以货车车轮为研究对象，运用有限元软件对车轮进行疲劳寿命分析，并分析了由于生产过程中所产生的瑕疵对车轮疲劳寿命的影响情况，及针对这些情况对车轮结构进行优化设计【18】。2006年P.Ramamurty Raju,B.Satyanarayana,K.Ramji 和K.Suresh Babu在Engineering Failure Analysis上发表

28、的论文中以某型号铝合金车轮为研究对象，模拟车轮径向疲劳试验时施加的载荷及边界条件，运用有限元软件对车轮进行结构强度分析，并根据车轮材料的S-N曲线运用疲劳寿命理论对车轮进行疲劳寿命分析并与实际试验进行对比【19】。2003年哈尔滨工业大学的张斌在其硕士学位论文中以14x6JJ铝合金车轮为研究对象，运用SNSYS软件对该型号车轮进行结构有限元分析、变幅载荷下车轮有限寿命疲劳设计、局部应力应变法预测车轮疲劳寿命，并运用可靠度理论，对预测得到的车轮寿命进行可靠度计算，得出两种方法预测车轮的疲劳寿命均为可信的结论【20】。2007年广西大学的韦倾在其硕士论文中以三件式装载机车用轮辋为研究对象，运用UG

29、对车轮轮辋进行建模并导进Ansys软件中进行疲劳分析及进行优化设计。文中提出了存在接触的三件式装载机车轮的疲劳试验模式，并提出了径向疲劳试验试验的模拟方式以及对进行分析【21】。有限元法在汽车工程中的应用在汽车结构中，一些结构件的工作条件比较恶劣，有些长期在满载、振动与冲击载荷下工作。寻求有关这些结构件正确而可靠的设计与计算方法，是提高汽车的工作性能以及可靠性与寿命的主要途径之一对汽车的各个主要结构样进行分析，是研究其可靠性、寻求最佳结构设计方案的主要手段。汽车的结构由于其本身结构形状的多样，复杂性以及载荷系统的恶劣复杂性使以往采用经典力学的方法进行结构分析时往往带有局限性在相当长的一段时间内

30、，汽车结构的设计，主要采用经验设计。为了能够计算，往往采用较多的假设和简化，计算模型只能构造得非常简单，与实际的结构形状相差很大，所以计算是粗糙的、不很精确的，而一些结构件甚至采用常规方法根本无法计算，这些都影响了汽车工业的进一步发展。带有大的贮存容量的现代计算机的出现，标志了以分析验证为基础的汽车结构设计革命的开始，而1970 年美国NASTRAN 软件的引入，则表明了这一时期的起点，该软件代表了一种新的计算功能，它是一个面向用户的通用的有限元结构分析程序。有限单元法的一个独特优点是可以求解结构形状和边界条件都相当任意的力学问题。所以有限元法出现后，立即就应用在汽车结构的计算之中，成为一种可

31、靠的新的理论计算方法。随着计算机的发展，有限单元法已经成为计算机辅助设计（CAD ）中的一部分，渗透到了每一辆汽车的设计计算中。汽车结构有限元分析的应用体现在：一是对所有结构件、主要机械零部件的强度、刚度、稳定性分析，有限单元法是一种不可替代的工具；二是在汽车结构的计算机辅助设计（CAD ）、优化设计中，有限单元法作为结构分析的工具，己成为其中主要组成部分。三是应用在汽车结构动态分析中，使用有限单元法进行各构件的模态分析，同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件的振动模态，进一步计算出各构件的动态响应，较真实地描绘出动态过程，为构件的动态设计提供方便有效的工具。有限单元法除了广泛应用于汽车结构分

32、析外，还可应用于车身内的声学设计、汽车的空气动力学计算、汽车碰撞和被动安全性计算等。通过上述可以看到，有限单元法的应用范围极为广泛，有非常强的实用性：而且概念浅显，易于掌握。但它也有不足之处，如对一个特殊问题只能求得一个具体的数值结果，而不能求得一般的闭合形式解，后者能让我们研究分析不同参数变化时系统的反应和影响。又如，为了构造一个好的有限元计算模型需要经验和判断等等。当然这些缺点并不影响有限单元法在工程技术领域的广泛应用。同时要注愈，有限单元法是一种近似的数值计算方法，如果将试验测试与之相结合，则可取长补短，较好地解决设计问题【22】。总结：从国内外的发展现状及趋势中可以看出我国汽车轮毂设计

33、中的不足之处。国内汽车产业自主研发能力较弱，具有中国特色的汽车还不够成熟，如何兼顾外观造型设计与结构设计，解决其一体化且具民族特色的车轮产品，是我们当前需要去解决的问题。1.3研究内容1.3.1研究内容本课题的主要研究内容为：（1）查阅轮毂的相关知识，结合中国元素绘制“凤舞”的CAD工程图；（2）运用UG，完成车轮轮毂的几何模型，建立轮毂模型；（3）完成车轮径向疲劳试验仿真和弯曲疲劳试验仿真，研究在径向疲劳载荷和弯曲疲劳载荷下的应力状态及位移量状态；（4）完成结果分析；1.3.2. 课题创新点本课题在研究中的主要创新点有：（1） 采用施加扇形载荷的方法，分析轮毂的受力的变化情况。（2） 径向疲

34、劳试验仿真时使用分开建模，实现网格划分时，轮辋与轮辐之间的金字塔单元的链接。（3） 弯曲疲劳分析时采用试验轴加载方式对轮毂进行分析。第二章 理论基础与软件介绍2.1有限元法原理2.1.1有限元法概述 有限元法是为了对某些工程问题求得近似解而发展出来的一种数值分析方法，它是将所要分析连续场分割为很多较小的区域（称为单元或元素），这些单元的集合体就代表原来的场，然后建立每个单元的有关特性关系式，再组合起来就能求得相应场问题的解答。这是一种从部分到整体的方法，分析过程大为简化。从数学的角度来说，有限元法是从变分原理或加权残数法出发，通过区域部分和分片插值，把数理方程的边值问题化为等价的一组多元线性代

35、数方程的求解【26】。有限单元法的起源可以追溯到20世纪40年代。1943年，库兰特(R.Courant)已经开始尝试将一系列三角形区域上定义的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解St.Venant扭转问题，并且应用了“单元”概念。从数学角度提出了有限元法的基本观点。在1945年至1955年间，阿吉里斯(Argyris)等人在结构矩阵分析方面的研究有很大的发展。在1956年，特纳(Tutner)、克拉夫(Clough)等人把刚架位移法的解题思路，推广应用于弹性力学平面问题。他们把连续体划分成一个个三角形和矩形的单元，单元中位移函数首先采用了近似表达式，推导了单元刚度矩阵，建立了单元结点位移

36、与结点力之间的单元刚度方程。在1960年，克拉夫首次把这种解决弹性力学问题的方法，给予特定的名词，称为“有限单元法”。近二十年来，随着电子计算机的高速化和普遍化，有限元继续的向更加广阔、更加深入的方面发展。有限元法、杂交法、动力有限元、非线性有限元、奇异元等，以及各种不同变分原理为基础的有限单元法相继而起【23】【26】。2.1.2 弹性力学基本方程【27】【29】（1）、平衡方程表示某种物理量处于平衡状态的方程，其方程式为： (2.1)其中、分别是、方向的体积力。（2）、几何方程是应变分量与位移分量的关系式，其方程式为： (2.2)其中 、分别是、方向的位移函数。（3）、物理方程： (2.3

37、)（4）、力边界条件即给定物体表面上的面力，其方程式为： (2.4)（5）、位移边界条件即给定物体表面上的位移，其方程式为： (2.5)结构体中任何一个离散单元的应力和应变状态均可以用上式(2.1)、(2.2)、 (2.3)三组方程来进行表示。通过以上三个方程组并根据两个边界条件(2.4)、(2.5)，可以用解析方法或者数值方法求出整个结构的应力、应变以及位移。2.2.3结构有限元分析过程 结构有限元分析的过程大概可分为以下6个步骤【30】【32】：（1）、结构的离散化结构离散化是将结构物分割成有限个单元体，并在单元体的指定点设置结点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成个单元的集合体

38、，以它来代替原来的结构，使力学模型变成离散模型。结构离散化是有限元分析中重要的一步，关系到有限元分析的计算精度及效率。（2）、选择位移模式 位移函数是指描述单元中各点位移变化规律的函数。一般弹性体受力变形后内部各点位移变化情况是很复杂的，但是，在小单元的区域面，可以假定位移是坐标的某种简单的函数(位移模式或插值函数)来近似，通常采用多项式作为位移模式。位移矩阵为： （2.6） 式中，为单元内任一点位移； 为单元结点位移； 为形函数。（3）、分析单元的力学性能 由几何方程，从（2.6）式导出用结点位移表示的单元应变为 （2.7） 式中，为单元应变矩阵。 由本构方程，导出用结点位移表示的单元应力为

39、 （2.8） 式中，为与单元材料有关的弹性矩阵 由变分原理，建立单元上结点力与结点位移间的关系式平衡方程为： （2.9） 式中，为单元刚度矩阵，其形式为 （4）、集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程组集总体刚度矩阵，由总体刚度矩阵形成的整个结构的平衡方程为 （2.10） （5）、求解未知结点位移和计算单元应力 对平衡方程进行求解，解出未知的节点位移，然后根据前面给出的关系式计算出节点的应变和应力以及单元的应力和应变。 （6）、整理并输出结果 通过该步骤可以输出应力、应变以及位移等值。 （7）、结合计算结果进行一系列后续分析，得到问题的最终分析结果。 求出结构全部结点位移后，利用分析过

40、程中已建立的一些关系，即可以进一步计算单元中的应力或内力 ，并以数表或图形的方式输出计算结果。依据这些结果，就可以进行具体结构的进一步设计，并达到输出最终零件工程图纸的结果。2.2 UG NX软件简介 UG NX（原名：Unigraphics）是一个由西门子UGS PLM软件开发，集CAD/CAE/CAM于一体的产品生命周期管理软件。UGS NX支持产品开发的整个过程，从概念（CAID），到设计（CAD），到分析（CAE），到制造（CAM）的完整流程。 UG从CAM发展而来。20世纪70年代，美国麦道飞机公司成立了解决自动编程系统的数控小组，后来发展成为CAD/CAM一体化的UG1软件。90年

41、代被EDS公司收并，为通用汽车公司服务。2007年5月正式被西门子收购；因此，UG有着美国航空和汽车两大产业的背景。自UG 19版以后，此产品更名为NX。NX 是 UGS 新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革新。NX 独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。 NX 可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。NX 建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。NX 使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。UG

42、 NX是一种交互式的设计、分析和制造系统，是知识驱动自动化技术领域的领先者。它提供了产品从模型的设计装配，运动仿真，有限元分析到加工制造的整个生命周期，能极大地提高产品的开发设计效率。UG NX的一大优势在于将设计、分析和制造无缝集成，避免了因数据转化带来的种种问题。 UGNX在产品开发设计时首先利用草绘、特征、实体、曲线曲面等功能创建三维模型，然后进行部件装配，经过高级仿真模块进行运动仿真和结构分析，确定产品的最终结构，最后生成标准图纸和数控代码，进行产品的生产加工。利用 UG NX的设汁流程如图2.1所示【33】。使用 UGNX进行模型设计有以下优点:(l)操作界面人性化智能化，在进行操作

43、时，具有自动推理功能，能显著提高设计效率。(2) 建模方式灵活。有实体、曲面曲线，特征等多样化的参数化建模方式，可以通过添加孔，凸台，键槽等常用特征的方式快速创建模型。此外， UGNX还具有创新型的同步建模方式，可以有效地利用尺寸驱动直接进行建模，不需要考虑相关性和约束，能够快速捕捉设计意图，极大提高设计者的创作空间。同时，图2.1 UG NX的设计分析流程图将模型的修改时间大为缩减，显著提高设计效率。(3)装配设计拥有自上而下和自底而上的定义方式，能够快速定位部件，可以通过改变部件间的关联性来改变部件的装配关系。(4)将设计、仿真分析和制造进行了无缝集成，使得产品的开发设计变得准确快速。2.

44、3本章小结本章主要介绍了本论文中用到的主要的理论知识：介绍有限元法的原理以及结构有限元分析的基本过程，并对通用建模分析软件UG NX进行简单的介绍；第三章 凤舞汽车轮毂的结构设计3.1凤舞汽车轮毂的结构设计汽车轮毂主要由轮辋、轮辐两部分组成。在轮辐的安装面上分布有中心孔和螺栓孔。轮毂的主要作用有【34】：(l)支撑整车重量;(2)缓和由路面传来的冲击力;(3)将轮胎同路面间存在的附着作用所产生的驱动力和制动力传递给车体;(4)汽车转弯行驶时产生平衡离心力的侧抗力，在保证汽车正常转向行驶的同时，通过轮毂产生的自动回正力矩，使汽车保持直线行驶方向;(5)承担越障和提高车轮通过性。 凤舞铝合金汽车轮

45、毂的结构设计对于满足顾客需求的功能非常重要，其重要度仅次于材料的重要度。结构设计的好坏直接决定着整个合金汽车轮毂的性能。3.1.1整体造型 轮毂造型分为一件式、两件式以及三件式等不同类型。两件式的轮毂是由内件和外件通过焊接或者机械连接等方式组合而成。三件式的往往是由一个中心部件和两个外圆件组成，各部件之间一般通过机械连接的方式组合在一起。本研究所设计轮毂采用一件式，即轮辋和轮辐是一个整体。 3.1.2轮辋轮辋是轮毂上与轮胎直接配合的部分，其尺寸形状有具体的国标规定。轮辋的常见类型有深槽轮辋、平底轮辋、对开式轮辋、半深槽轮辋、深槽宽轮辋、平底宽轮辋以及全斜底轮辋。本文所设计的轮毂采用整体式的深槽

46、轮辋。这种形式的轮辋截面中间部位是一个深凹槽，有利于汽车轮胎的拆卸。在两侧部位是带有肩部的凸缘，用来安装固定外胎的胎圈。这种轮辋结构简单，刚度较大，且质量较小，常用于轿车和小型越野车上。本研究的设计目的是设计一款应用在轿车上的具有中国风特色的铝合金汽车轮毂，并对设计出的轮毂进行有限元强度分析。根据国家标准对汽车轮毂的要求，选择一种用于小型汽车轮毂上的轮辋类型。具体选用型号为5度深槽轮辋J型正向轮辋。其截面形状尺寸如图3.1、3.2、3.3、3.4所示。所设计的轮辋尺寸为英寸的5度深槽正向轮辋。胎圈座组合表见表3.1。本课题选用内侧圆峰、外侧平峰的胎圈座组合。表3.1胎圈座组合表组合状态内侧外侧标准（适用正向轮辋）圆峰平峰选用（适用反向轮辋）平峰圆峰