汽车铝合金转向节结构设计及数值模拟

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1、汽车铝合金转向节结构设计及数值模拟重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：白婷婷指导教师：李军超副教授专业：材料加工工程学科门类：工学重庆大学材料科学与工程学院二O一五年五月StructureDesignandNumericalSimulationofAluminumAlloyAutomobileSteeringAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByBaiTingtingSupervised

2、byProf.LiJunchaoSpecialty:MaterialProcessingEngineeringCollegeofMaterialScienceandEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要转向节是汽车悬架系统的重要构件，它连接轮毂和悬架控制臂，同时是转向节臂与制动卡钳的安装载体，承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向，确保汽车稳定行驶并灵敏传递行驶方向。在汽车行驶状态下，它承受着复杂多变的载荷工况。因此需要有较大的刚度和足够的强度与安

3、全系数；同时还要尽可能减轻质量，以满足操纵稳定性和整车轻量化的要求。本文选用铝合金作为加工制造转向节的材料。一方面，这是出于减轻汽车重量，提高燃油经济性的优化需要。另一方面，采用铝合金的加工成本要远远低于采用铸铁的加工成本。因此，本文从汽车轻量化角度出发对铝合金转向节进行研究，分析了铝合金转向节的结构、约束与载荷情况，对转向节进行强度分析、模态分析和优化设计等研究，并对其成形工艺以及工艺参数对微观组织结构的影响进行了分析，为实际生产提供了有效的参考。本文的研究内容如下：按照汽车行驶中三种典型工况的名义载荷计算方法，分析了转向节在各种工况下的受力情况，得到了各种工况条件

4、下的计算载荷；利用ANSYS结构静力学分析模块获得了三种典型工况和两种组合工况条件下转向节的应力云图与变形图，并分析了各种工况下转向节的受载情况和应力分布；按传统设计计算方法计算了转向侧滑工况危险截面的应力值，通过与传统设计计算值的比较，验证了本文所建立的分析计算模型是正确可行的，且转向节满足强度的要求。详细研究了模态分析理论，利用ANSYS结构动力学分析模块对铝合金转向节进行了模态分析，计算并提取了转向节的振动特性，求出了转向节的前十阶固有振型和频率。通过模态分析，我们看到转向节的一阶固有频率为164.06Hz远大于激励频率，且转向节结构振动较为平稳，保持了整个结构

5、趋于平稳。详细研究了ANSYS的优化模块以及优化理论，根据转向节结构特点以及实际中使用情况制定了转向节优化设计的主要思路和步骤；优化的数学模型选取几何尺寸、坐标作为设计变量，以减轻重量为目标函数，以满足强度、刚度等性态条件和几何边界条件为约束条件；利用ANSYS优化设计模块对转向节进行了形状优化，经优化后，转向节共减轻重量13.1%，材料得到了充分利用，并且应力集中等得到有效改善。同时相比钢和铸铁转向节，铝合金转向节共减重70.3%。详细研究了转向节成形工艺，然后结合DEFORM软件对几种预想的铝合金转向节成形方案进行了模拟分析，最终确定了合理的成形工艺方案；模拟了压

6、机速度对转向节晶粒及流线的影响，确定了合理的压机速度，结果表明该压机速度下I重庆大学硕士学位论文中文摘要再结晶晶粒尺寸最小，力学性能最好。关键词：转向节，轻量化，模态分析，结构优化设计，再结晶II重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTSteeringknuckleisoneoftheimportantpartsofautomobilesuspensionsystem,itconnectsthewheelsandsuspensioncontrolarm,meanwhileisalsoaninstallationsupportofsteeringknucklearm

7、andthebrakecalliper,bearingthefrontaxleload,supportsanddrivesthefrontwheeltorotatearoundthemainpinleavingthevehiclesteeringtoensurethevehiclestabilitydrivingandsensitivetransferdirectionoftravel.Inthevehiclerunningstate,itcanbeartheloadconditioniscomplexandchangeable.Soitneedto