摘 要

随着能源危机日益严重，汽车轻量化己经成为一种发展趋势，而轮毂是汽车的重要部件之一，其轻量化不可避免。镁合金材料具有良好的散热性、减震性，并且可以回收，适合用于轮毂的轻量化设计。有限元分析是一种有效的分析方法，可作为汽车轮毂静态强度分析和模态分析的有力工具。

本文以15x5.5轮毂型号为研究对象，假设镁合金和铝合金为汽车轮毂铸造材料，设计整体式轮毂，先通过三维建模软件CATIA建立轮毂模型，之后使用ANSYS进行结构优化设计，实现轻量化设计。根据ANSYS分析的结果，对材料进行优化选择。在确保材料的性能满足要求的情况下，通过更改轮辐结构与螺栓孔，实现结构上的轻量化，最终，对已优化的轮毂模型进行分析，并进一步对比，得出最佳的轻量化设计。

关键词：轮毂；轻量化设计；材料 ；静态分析；模态分析

Abstract

With the increasing energy crisis, vehicle lightweight has become a trend of development. Wheel hub is one of the important components of automobile, and its lightweight is inevitable. Magnesium alloy material has good heat dissipation, shock absorption, and can be recycled. It is suitable for lightweight design of wheel hub. Finite element analysis is an effective analytical method, and can be used as a powerful tool for static strength analysis and modal analysis of automotive wheels.

Taking the model of 15x5.5 hub as the research object, this paper assumes that magnesium alloy and aluminum alloy are the casting materials of automobile hub and designed the integral wheel hub. First, the wheel hub model is established through the 3D modeling software CATIA, and then the structure optimization design is carried out using ANSYS to realize the lightweight design. According to the results of ANSYS analysis, the material is optimized. In the case of ensuring the material performance to meet the requirements, by changing the spokes structure and bolt holes, the lightweight structure is realized. Finally, the optimized hub model is analyzed, and the best lightweight design is obtained.

Key words: hub; lightweight design; material; static analysis; modal analysis

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1设计目的及意义 1

1.2镁合金轮毂的优点 1

1.3国内外研究现状 1

1.4研究内容与方法 2

1.4.1研究设计的基本内容及目标 2

1.4.2技术方案及措施 2

第二章 有限元分析理论基础 4

2.1 有限元法的分析过程 4

2.2有限元软件介绍 5

2.3本章小结 5

第三章 轮毂有限元建模和材料优化分析 6

3.1轮毂结构设计 6

3.1.1材料性能分析 6

3.1.2轮辋的结构设计 6

3.1.3轮辐的基本结构设计 7

3.2有限元模型的建立 7

3.3镁合金轮毂的ANSYS分析 7

3.3.1静态分析 7

3.3.2模态分析 9

3.4铝合金轮毂的分析 12

3.4.1静态分析 12

3.4.2模态分析 13

3.5本章小结 15

第四章 轮毂的结构优化设计 16

4.1结构优化设计1 16

4.1.1静态分析 16

4.1.2模态分析 17

4.2结构优化设计2 19

4.2.1静态分析 19

4.2.2模态分析 20

4.3本章小结 22

第五章 全文总结 23

参考文献 24

致谢 25

1. 绪论

1.1设计目的及意义

随着能源危机日益严重，汽车轻量化已逐渐成为汽车公司的核心竞争力之一。汽车轻量化就是降低汽车的整备质量却不降低其性能，可以提高汽车的动力性，减少能耗，降低排放。轮毂轮毂是汽车的重要部件之一，其轻量化不可避免，同时根据有关资料，减少旋转件质量的降能耗效果更好。

当前，对汽车轮毂的轻量化设计主要体现在两个方面: 优化轮毂结构和采用轻质材料。由于新型材料不断产生，轮毂的材料也有了更多选择，例如镁合金材料应用在汽车轮毂的轻量化上。进行轮毂设计过程中，为确保轮毂的刚度，必须改善轮毂的结构，使其趋于合理优化。此外，可以降低轮毂的变形量，以保证轮辋的圆度，使其具有更好的驾驶性能和安全性。总之，在轮毂设计时，在保证足够的强度的情况下，进行轻量化设计，同时兼顾一些其它性能。

1.2镁合金轮毂的优点

镁合金材料具有许多优点，是车辆轻量化发展中的重要研究对象，与铝合金汽车车轮相比，镁合金汽车车轮具有以下优点：

1. 质量小。相对于铝合金而言，镁合金密度更小，所以在保证体积相同的情况下，镁合金所制造的轮毂质量更小。
2. 抗震减噪性好。镁合金具有更好的阻尼系数，因此其的抗振性比铝合金轮毂的更好，可以有效的减小汽车行驶时的振动、噪音，提升驾驶和乘坐体验。
3. 良好的散热性。镁合金优良的散热能力对于爆胎情况有很好的控制作用。

（4）镁合金材料不易受外界因素影响，外形尺寸稳定，这是由于其线收缩率小。

（5）外形美观。镁合金容易加工产生更加美观的外形，因为其液体状态下流动性较好。

1.3国内外研究现状

镁合金的的耐电化学腐蚀性较差，但在降低汽车整车重量，提升性能方面，镁合金具有巨大的开发价值。

在汽车轮毂的结构优化上，燕山大学孙红梅教授综合考虑了各种因素，建立汽车轮毂优化模型，得到了汽车轮毂结构参数。此外重庆大学周渝庆也利用有限元软件，在保证轮毂刚度的情况下，以轮辐和轮辋的厚度为变量，轮毂的质量为目标函数，进行了轻量化优化设计。

由于镁具有许多优越性能，目前，镁合金在汽车中的使用是越来越广泛。许多汽车制造公司在不降低汽车整体性能的前提下，不断提高镁合金的使用量，甚至把镁合金的使用量作为评价一辆汽车的技术指标。在国外，镁合金在汽车轮毂上的应用越来越广泛，目前国外许多汽车用AM60B 镁合金铸造汽车轮毂。德国大众汽车发现使用镁合金轮毂能显著提高疲劳性能，并且可以减少约 1/4 的质量。目前许多著名的汽车品牌如法拉利、宝马、奔驰等都在使用镁合金材料进行生产制造。

1.4研究内容与方法

1.4.1研究设计的基本内容及目标

本文以15x5.5轮毂型号为研究对象，假设镁合金和铝合金为汽车轮毂铸造材料，设计整体式轮毂，通过三维建模软件CATIA建立轮毂模型，并相应地运用软件ANSYS优化结构，更好地实现轻量化设计目标。由ANSYS分析得出材料的优先选择。在确保材料的性能满足要求的情况下，通过更改轮辐结构与螺栓孔，实现结构上的轻量化。最终，对已优化的轮毂模型进行分析，并进一步对比，得出最佳的轻量化设计。

1.4.2技术方案及措施