汽车轮毂有限元分析及优化

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汽车轮毂有限元分析

汽车轮毂有限元分析

汽车轮毂有限元分析第⼆章理论基础与模型建⽴2.1 有限元技术及UG软件2.1.1 有限元法基本原理计算机辅助⼯程CAE(Computer Aid2ed Engineering) 指⼯程设计中的分析计算与分析仿真, ⽽有限元法FEM( FiniteElement Method)是计算机辅助⼯程CAE中的⼀种, 另外CAE还包含了边界元法BEM(Boundary Element Method) 和有限差分法FDM( Finite Difference Method) 等。

这⼏种⽅法各有其优缺点, 各有其应⽤领域,但有限元法的应⽤最⼴。

有限元法是求解数理⽅程的⼀种数值计算⽅法,是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合在⼀起的⼀种数值分析技术,是解决⼯程实际问题的⼀种有⼒的数值计算⼯具。

有限元是⼀种离散化的数值⽅法。

离散后的单元与单元间只通过节点相联系, 所有⼒和位移都通过节点进⾏计算。

对每个单元选取适当的插值函数,使得该函数在⼦域内部、⼦域分界⾯上(内部边界) 以及⼦域与外界分界⾯(外部边界) 上都满⾜⼀定的条件。

然后把所有单元的⽅程组合起来, 就得到了整个结构的⽅程。

求解该⽅程,就可以得到结构的近似解。

离散化是有限元⽅法的基础。

必须依据结构的实际情况,决定单元的类型、数⽬、形状、⼤⼩以及排列⽅式。

这样做的⽬的是将结构分割成⾜够⼩的单元,使得简单位移模型能⾜够近似地表⽰精确解【13】。

因次它可以对各种类型的⼯程和产品的物理⼒学性能进⾏分析、模拟、预测、评价和优化,以实现产品技术创新, 故已⼴泛应⽤于各种⼒学、电学、磁学及很多结合学科领域; 同时, 由于它能够处理耦合问题, 使得其有更⼤的应⽤前景。

你可以从专业的⾓度理解有限元:包括变分原理、等效积分和加权余量法等, 也可以从直观的意义上理解有限元: 把连续体划分为⾜够⼩的单元, 这些单元通过节点和边连接起来,通过选择简单函数(⽐如线形函数) 来近似表达位移或应⼒的分布或变化, 从⽽得到整个连续体物理量的分布和变化【14】。

汽车轮毂的有限元分析及优化

汽车轮毂的有限元分析及优化

上保证 了机器 人具 有 良好 的性 能 , 对机 器 人 优 化 设 计 具有 重要 借鉴 意 义 。
参 考 文 献

u r a t i o n a n d b e h a v i o r o f m u h i b o d y m e c h a n i s m s I J 1 .S y s —
me t r i c mo d e l i n g a n d f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s w e r e c a r r i e d o u t b y ANS YS s o f t w a r e .T h e h u b s t r u c t u r e wa s o p t i mi z e d a c c o r d i n g
ni f i c a nc e .
Ke y wo r d s : i f n i t e e l e me n t ,a u t o mo b i l e h u b ,AN S Y S,p a r a me t r i c mo d e l i n g,o p t i mi z a t i o n d e s i g n
t o t h e s t r e n g t h c a l c u l a t e d o f t h e hu b,a n d t he o p t i ma l s i z e o f t h e wh e e l hu b i s in f a l l y a c hi e v e d. Th e o p t i mi z a t i o n r e s ul t s o f
LU Ya n g, W ANG Hu q i , YI N Yup e n g

《铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》

《铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》

《铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》篇一一、引言铝合金轮毂以其轻量化、高强度和良好的抗腐蚀性等特点,在现代汽车工业中得到了广泛应用。

了解铝合金轮毂的力学性能和通过有限元分析(FEA)进行结构优化,对于提升汽车性能、保障行车安全具有重要意义。

本文将探讨铝合金轮毂的力学性能及其有限元分析方法。

二、铝合金轮毂的力学性能1. 轻量化与高强度铝合金轮毂的主要优点之一是其轻量化与高强度。

铝合金材料具有较低的密度,能够有效降低汽车整车的重量,从而提高燃油经济性。

同时,其高强度保证了轮毂在承受重载和冲击时能够保持结构的完整性。

2. 抗腐蚀性铝合金具有良好的抗腐蚀性,能够抵抗潮湿、盐雾等恶劣环境的侵蚀,延长了轮毂的使用寿命。

此外,铝合金轮毂的表面处理技术如喷涂、电镀等也能进一步提高其抗腐蚀性能。

三、铝合金轮毂的有限元分析有限元分析是一种有效的工程分析方法,可以用于研究铝合金轮毂的力学性能和结构优化。

通过建立轮毂的三维模型,并利用有限元软件进行网格划分、材料属性定义、边界条件设定等步骤,可以对轮毂进行详细的力学分析。

1. 网格划分与材料属性定义在有限元分析中,首先需要对轮毂进行网格划分,将轮毂划分为若干个小的有限元单元。

然后根据铝合金的材料属性,如弹性模量、泊松比、屈服强度等,为每个单元赋予相应的材料属性。

2. 边界条件设定与加载在有限元分析中,需要设定边界条件,如约束、载荷等。

约束条件通常根据轮毂在实际使用中的固定方式来设定。

载荷则包括轮毂承受的重力、离心力、风阻等。

通过施加这些边界条件,可以模拟轮毂在实际使用中的受力情况。

3. 力学性能分析通过对轮毂进行有限元分析,可以得到其在各种工况下的应力、应变、位移等力学性能参数。

这些参数可以帮助我们了解轮毂的承载能力、刚度、抗疲劳性能等,为结构优化提供依据。

四、结构优化与改进通过有限元分析得到的力学性能参数,可以对铝合金轮毂的结构进行优化和改进。

例如,可以通过调整轮毂的厚度、形状、加强筋的位置和数量等,来提高其承载能力和抗疲劳性能。

铝合金轮毂有限元分析及优化设计

铝合金轮毂有限元分析及优化设计

铝合金轮毂有限元分析及优化设计作者:魏剑吴龙曾师尊来源:《青岛大学学报(工程技术版)》2020年第03期摘要:为了提高轮毂的安全性和可靠性,本文主要对铝合金轮毂进行有限元分析及优化设计。

采用三维软件Creo30,对某铝合金轮毂进行实体建模,并导入Ansys软件中,分析其固定点在不同作用力与力矩方向时轮毂的动态弯曲疲劳、径向疲劳与冲击性能。

试验结果表明,该轮毂所受的最大应力远小于许用应力。

同时,为提高该轮毂的性能,对该轮毂的薄弱连接部位进行加强设计,并对其余部分进行轻量化设计。

研究结果表明,轮毂的整体质量减少了13413 g,其强度符合设计要求。

该研究对提高轮毂的使用寿命具有重要意义。

关键词:轮毂; 有限元分析; 弯曲疲劳; 径向疲劳; 冲击分析中图分类号: U463.343文献标识码: A2017年,我国发布了《节能與新能源汽车技术路线图》,根据该路线图,将大力推进Al、Mg合金、碳纤维复合材料等在汽车上的应用,推进轻量化材料制造技术的发展[1]。

目前,在汽车零部件设计中,国内铝合金轻量化材料的使用量仍低于国际水平,针对铝合金轻量化材料,胡泊洋等人[23]采用有限元分析方法,对脚踏板、蓄电池箱体支架、车门、底盘控制臂和牵引钩等进行分析,用铝合金替代传统钢材料,并通过仿真与试验研究,优化结构和尺寸,使零部件达到性能使用要求;朱红建[4]从分析汽车钢圈的主要载荷形式和失效形式入手,确定横向载荷是造成疲劳破坏的主要原因,并运用有限元分析软件,对汽车钢圈进行了结构分析,且对汽车使用寿命进行预测,同时运用优化理论对汽车钢圈进行优化设计,进而提高汽车钢圈的可靠性和使用寿命;Wang X F等人[513]利用有限元分析软件,对钢制、铝合金或镁合金车轮建立参数化模型,进行弯曲疲劳和径向疲劳试验模拟,得到轮毂的应力图和应变图,计算车轮上应力较大的区域,并分析危险点的应力状态,对各类型轮毂进行结构优化和刚强度分析,以达到轮毂轻量化目的。

《2024年铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》范文

《2024年铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》范文

《铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》篇一一、引言随着汽车工业的快速发展,铝合金轮毂因其轻量化、高强度、耐腐蚀等优点,逐渐成为现代汽车的重要部件。

了解铝合金轮毂的力学性能及进行有限元分析,对于提高其设计水平、优化结构、增强安全性能具有重要意义。

本文将重点探讨铝合金轮毂的力学性能及有限元分析方法。

二、铝合金轮毂的力学性能1. 强度与刚度铝合金轮毂的强度和刚度是评价其力学性能的重要指标。

铝合金材料具有较高的屈服强度和抗拉强度,使得轮毂在承受载荷时能够保持较好的稳定性。

此外,铝合金轮毂的刚度也较高,能够有效地抵抗弯曲和扭曲变形。

2. 耐疲劳性能铝合金轮毂在使用过程中需要承受周期性载荷,因此其耐疲劳性能尤为重要。

铝合金材料具有良好的耐疲劳性能,能够在长期使用过程中保持较好的机械性能。

此外,通过合理的结构设计,可以进一步提高铝合金轮毂的耐疲劳性能。

3. 抗冲击性能铝合金轮毂在行驶过程中可能会受到意外冲击,因此其抗冲击性能也是评价其力学性能的重要指标。

铝合金材料具有较好的吸能和缓冲性能,能够在受到冲击时吸收部分能量,减少对轮毂本身的损伤。

三、铝合金轮毂的有限元分析有限元分析是一种有效的工程分析方法,可以用于研究铝合金轮毂的力学性能。

通过建立轮毂的三维模型,并利用有限元软件进行网格划分、材料属性赋值、边界条件设定等操作,可以实现对轮毂的力学性能进行仿真分析。

1. 网格划分与材料属性赋值在有限元分析中,首先需要对轮毂进行网格划分,将轮毂离散化为有限个单元。

然后,为每个单元赋予铝合金材料的属性,如弹性模量、密度、泊松比等。

这些属性将直接影响有限元分析的结果。

2. 边界条件设定与加载在有限元分析中,需要设定轮毂的边界条件,如约束轮毂的旋转自由度等。

然后,在轮毂上施加载荷,如径向力、侧向力等。

这些载荷将用于模拟轮毂在实际使用过程中的受力情况。

3. 仿真结果分析与优化设计通过有限元分析软件进行计算,可以得到轮毂在各种工况下的应力、应变、位移等结果。

《2024年铝合金轮毂的有限元分析》范文

《2024年铝合金轮毂的有限元分析》范文

《铝合金轮毂的有限元分析》篇一一、引言铝合金轮毂是现代汽车工业中广泛应用的重要部件之一。

随着汽车行业的飞速发展,对于车辆轻量化、耐用性和安全性的要求也日益提升。

因此,铝合金轮毂以其优良的物理性能和经济性得到了广大制造商的青睐。

然而,在实际使用中,铝合金轮毂的设计和生产需要充分考虑其复杂的工作环境和各种潜在风险。

因此,采用有限元分析(FEA)对铝合金轮毂进行性能分析和优化显得尤为重要。

二、铝合金轮毂的有限元模型建立1. 材料属性定义在有限元分析中,首先需要定义铝合金轮毂的材料属性。

这包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度等关键参数。

这些参数将直接影响模型的力学性能和应力分布。

2. 几何模型建立根据铝合金轮毂的实际几何形状和尺寸,建立精确的几何模型。

在建模过程中,应充分考虑轮毂的复杂结构和细节特征,以确保分析的准确性。

3. 网格划分将几何模型划分为适当的网格是有限元分析的关键步骤。

网格的划分应考虑到计算精度和计算效率的平衡,确保在关键区域有足够的网格密度。

三、铝合金轮毂的有限元分析1. 载荷和边界条件设置在有限元分析中,需要设置载荷和边界条件。

载荷包括车辆行驶过程中的惯性力、摩擦力等;边界条件则涉及到轮毂与轮胎的连接方式、约束等。

这些条件的设置将直接影响分析结果的准确性。

2. 应力分析通过有限元分析,可以获得铝合金轮毂在各种工况下的应力分布情况。

这包括静态应力、动态应力以及交变应力等。

分析结果将有助于评估轮毂的强度、刚度和耐久性。

3. 模态分析模态分析可以获取铝合金轮毂的振动特性,如各阶模态频率和振型。

这对于评估轮毂在复杂工作环境下的动态性能具有重要意义。

四、结果与讨论通过对铝合金轮毂的有限元分析,可以得到以下结论:1. 铝合金轮毂在各种工况下的应力分布情况,为优化设计提供依据;2. 模态分析结果有助于了解轮毂的动态性能,为降低振动和噪声提供参考;3. 通过对比不同设计方案的有限元分析结果,可以找到最优的设计方案,提高轮毂的性能和寿命;4. 有限元分析还可以用于评估铝合金轮毂在复杂工作环境中的潜在风险,为生产制造提供有力支持。

《铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》

《铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》

《铝合金轮毂的力学性能及有限元分析》篇一一、引言随着汽车工业的快速发展,铝合金轮毂因其轻量化、耐腐蚀性以及良好的成形性能等优势,已经成为了现代汽车制造业的标配。

为了更全面地理解铝合金轮毂的力学性能和其在各种条件下的应力分布,有限元分析(FEA)已成为不可或缺的辅助手段。

本文旨在研究铝合金轮毂的力学性能及其在有限元分析中的应用。

二、铝合金轮毂的力学性能铝合金轮毂的力学性能主要体现在其抗拉强度、屈服强度、冲击韧性以及疲劳强度等方面。

这些性能的优劣直接决定了轮毂的安全性和使用寿命。

1. 抗拉强度和屈服强度:铝合金的抗拉强度和屈服强度是衡量其抵抗外力破坏能力的关键指标。

铝合金轮毂通常需要具备较高的抗拉和屈服强度,以保证在高速行驶和复杂路况下不会发生断裂或变形。

2. 冲击韧性:冲击韧性是指材料在受到冲击载荷时吸收能量并保持其完整性的能力。

铝合金轮毂需要具备良好的冲击韧性,以应对突发情况如碰撞等。

3. 疲劳强度:由于轮毂需要长期承受车辆重力和路面反作用力等循环载荷,因此其疲劳强度也是一项重要的力学性能指标。

优质的铝合金轮毂应具备较高的疲劳强度,以延长其使用寿命。

三、有限元分析在铝合金轮毂中的应用有限元分析(FEA)是一种通过数值计算方法对实际物理系统进行模拟的技术。

在铝合金轮毂的设计和优化过程中,有限元分析具有重要的应用价值。

1. 模型建立:首先,根据铝合金轮毂的实际尺寸和结构,建立精确的有限元模型。

模型中需要考虑轮毂的材料属性、边界条件以及载荷情况等因素。

2. 材料属性定义:在有限元模型中,需要定义铝合金的材料属性,如弹性模量、泊松比、密度、抗拉强度、屈服强度等。

这些属性将直接影响有限元分析的结果。

3. 载荷和边界条件设置:根据实际工作情况,设置轮毂所受的载荷和边界条件。

如车辆重力、路面反作用力、轮胎与轮毂之间的摩擦力等。

4. 求解和分析:通过求解有限元方程,得到轮毂在各种工况下的应力、应变、位移等结果。

重型汽车轮毂的有限元分析及优化设计

重型汽车轮毂的有限元分析及优化设计

重型汽车轮毂的有限元分析及优化设计摘要:目前,重型汽车轮毂主要用钢铁作为主要材料,而由于轻合金材料价格原因,重型轻合金轮毂材料使用很少。

轮毂是汽车上重要的安全性能零部件之一,在行驶过程中承受各种负载和高速产生的高温作用。

所以轮毂的结构设计好坏直接影响汽车在行驶过程中安全舒适性和操纵稳定性,本文主要以重型汽车轮毂为研究对象,对重型汽车轮毂的有限元分析及优化设计进行了探讨。

关键词:重型汽车轮毂;有限元分析;优化设计一、重型汽车轮毂选材1.选择轻合金材料在汽车行业中镁合金材料也已经开始被人们开始关注,因为它具有许多优点:(1)重量较轻、耗油量少节省能源。

由于其密度为1.74g/cm3相对钢重量来说,是钢轮重量的四分之一。

(2)具有降低噪声和减缓震动作用。

由于镁合金材料具有良好的阻尼系数,在行驶中有效的减震、降噪,给驾驶者一个平稳性,相对于铝合金和钢制材料驾驶时感觉更舒适。

(3)精度高。

由于镁合金材料具有良好的物理属性、化学属性以及尺寸稳定性,镁合金轮毂的制造精度高于钢轮,所以在高速行驶下可以保持很好地稳定性。

(4)散热效果好。

汽车在行驶时由于轮胎与地面接触摩擦会产生大量的热量,而镁合金材料的传热系数比钢制材料大近三倍,且制动片不易老化,所以行驶时镁合金轮毂相对来说散热较快,增加了安全系数。

(5)外形美观。

但是由于本文以重型汽车为研究对象,镁合金在塑造性差,后期制造加工困难和实验周期长,所以镁合金不易于作为重型汽车轮毂材料。

而铝合金车轮早已在汽车上为主要的使用材料,今后铝合金车轮的应用也是必然趋势。

无论是外形还是工业上,铝合金轮毂都象征整车档次,多变的车轮轮辐形态也为越来越多的人们所喜爱。

2.选择钢制材料根据《中国汽车轮毂行业市场现状及投资前景预测报告》显示,从2016年起,我国钢制轮毂在车配套需求量将超过16000万件,虽然铝合金生产量大于钢制轮毂但用在商用车上钢制占三分之二具有明显优势。

(1)易焊接,制造工艺简单。

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汽车轮毂有限元分析及优化
摘要:轮毂是汽车轮胎内用于支撑轮胎和固定轮胎内缘的圆柱形金属部件,与
轮胎一起受到汽车载荷的作用。

本文针对某工厂生产的轮毂进行研究,利用有限
元软件对其进行强度分析和结构优化设计,最终实现轻量化设计。

关键词:汽车轮毂;有限元分析;优化
前言:
为了提高汽车的行驶速度,节省油耗,就要在确保有足够强度的前提下,最
大地降低轮毂自身的质量。

这是本文主要的研究的目的和方向。

在研究轮毂轻量
化设计的同时,也需要考虑到轮毂的刚度,要满足这个性能则应适当地降低轮毂
的变形量,以确保其轮辋圆度,确保汽车行驶的稳定性和可靠性,提高其安全系数。

一、轮毂结构分析设计
在汽车轮毂的结构优化方面,运用CAE软件ANSYS,将轮辐和轮毂的厚度分
别用参数来表示;根据弯曲疲劳试验将轮毂所承受的最大应力值作为约束条件,
将汽车轮毂的总质量作为优化函数,对轮毂的尺寸进行优化,满足轮毂轻量化的
要求。

对低速行驶的载重汽车车轮在超负荷工况下进行了有限元分析,得出,当
其高速行驶时,受到较小的载荷作用,轮毂的失效形式为高周疲劳破坏;当汽车
在低速行驶时,受到较大的载荷,可按低周疲劳计算不同车速下的极限载荷。


用ANSYS有限元分析软件对轮毂进行结构强度的分析,根据分析结果,为了避免
出现裂痕,所采取的措施是在螺栓孔和通风孔周围进行加厚。

然后将采取措施前
后的结果进行强度比较,发现在增加轮辐螺栓孔和通风孔周围厚度后,轮辐的强
度比优化前要高,实现轻量化要求。

基于有限元法综合考虑了汽车轮毂模态、轮毂刚度以及轮毂弯曲疲劳寿命的
影响,建立了汽车轮毂优化设计模型,进行模态分析。

通过对汽车轮毂的优化计算,得出了符合轮毂参数要求的结构尺寸。

利用PATRAN软件建立以轮辐、轮毂
的厚度为设计参数,汽车轮毂的质最小为最终结果的函数模型,根据软件的计算
结果,轮毂质量大大减轻。

以辐板式车轮的优化数学模型建立了轮辐上各段圆弧
的曲面半径以及弧面所对应的圆心角作为设计变量,轮辐的整个曲面弧长最小为
目标函数进行优化设计,对其结构尺寸进行了优化,通过优化轮毂的质量明显减
轻且发现优化后轮毂所受到的应力强度较小。

根据轮毂图纸来进行三维软件建模,并且运用CAE软件ANSYS,对铝合金和复合材料汽车车轮应力值进行计算,对比
两种计算数据,证明了在同等应力值时,合成材料的轮毂比铝合金的质量轻。


后以复合材料轮毂的轮毂和安装凸缘的厚度为设计变量,优化后发现复合材料的
轮毂质量减小。

二、轮毂的材料选择及其设计参数
轮毂材料为A356(ZAlSi7MgA)合金材料,其化学成分与ZL101合金基本相同,是ZL101的改进型,其特点是具有良好的铸造性能,流动性高,无热裂倾向,气密性高,适合成形结构复杂的轮毂;同时又具有比较高的耐腐蚀性,经过热处
理强化和合金淬火后有自然时效能力,因而具有较高的塑性和强度,满足轮毂高
强度和刚度的性能要求,镁铝合金A356材料具体参数见表1。

本文以某1.6L轿车原厂轮毂为设计基础,不修改主要参数,只对辐条的结构
外形进行适当的修改,再对其进行有限元析。

轮毂的主要参数,见表2所示。

表1 材料参数
三、SolidWorks轮毂建模
轮毂的三维建模流程:利用SolidWorhs绘制轮毂设计草图,首先绘制中心线,根据实际参数绘制草图断面,命令草图断面以中轴线旋转,绘制轮毂辐条部分,
旋转断面形成轮毂外形,然后绘制轮毂的辐条轮廓,设计五根辐条,不仅可以减
轻轮毂的重量,还可以起到扰流作用。

接下来以轮毂中线为中心建立正五边形,
其内切圆半径为50mm,确定安装孔位置。

最后装配各零件部分,得到所需要的
3D模型。

四、轮毂的有限元分析
1.轮毂的载荷计算
本文轮毂是针对斯柯达昕动1.6L车为设计基础,其相关资料见表3。

理论上平均每个轮毂所能承受的最大扭矩应不小于T=155N•m×3.6×4.534×95%=2403.5N•m根据实际情况:点刹时的扭矩大约为T×(1+6%)=2549.3N•m。

最大速度情况下的扭矩大约增加2.27倍左右,但该款车型是两轮驱动,所以
最大扭矩应该为2500N•m。

2.有限元分析具体步骤
①将SoildWorhs软件建立好的轮毂模型导入ANSYS。

②设定网格划分参数并进行网格划分,定义网格尺寸为15mm。

③添加材料信息,按照表1数据,添加材料属性。

④施加载荷以及约束条件,根据轮毂的受力情况对其施加扭矩,设定接触选项,在本文中接触选项已绑定,添加固定约束。

⑤添加扭矩在轮毂辐条中心面上。

⑥选择参考受力面,载荷类型为standard earthgravity,方向沿负Z轴方向,
大小为15000N。

⑦设定结果参数,即设定要求解的问题及物理量,对安全极限进行求解。

从安全极限分析得出,该轮毂最危险部位是辐条部分,由其分析结论可知:
最大安全极限为14,最小安全极限为1.62。

由此可见,该轮辋在受力状态下产生
的形变是比较大的,所以需要对轮毂的辐条进行优化,建议改变轮毂辐条的厚度
及其边缘过渡方式,这样可以改变零件在受力状态下的分散应力,进而可以增加
零件的强度及其安全系数;另外也可以增加骨架设计,从而增加零件强度。

结论:
基于有限元法的优化设计是当前主要的设计手段,对于汽车轮毂行业来说是
汽车轮毂轻量化设计的重要工具。

本文运用SolidWorhs建立铝合金车轮的参数化
模型,利用有限元分析软件ANSYS对铝合金车轮进行强度分析,找到车轮的最危
险位置,计算结果与实际试验结果基本吻合,说明有限元分析是正确性,应力计
算结果是可靠的。

参考文献:
[1]赵树国,陈建华.汽车镁合金轮毂的优化设计[J].山东工业技术,208,6.
[2]信义兵,高跃飞,刘海涛,李正伟.基于AnsysWorhbench某轮毂结构的
优化设计[J].煤矿机械,2017,3.。

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