【正文】 實體對比 ” 的修正方法，這種修正方法主要是在明確了設計任務書的各項要求以后，在參考相關設計資料和設計標準的同時，以相似車型所使用的 輪轂 作為實體參照模型，并從這些已成型的產(chǎn)品入手，對比車輪結構的各項主要參數(shù)，這里將重點考慮 輪輞 的厚度、通風孔尺寸的大小和位置、螺栓的布置形式、輪輻曲面的變化情況等等。良好的結構設計不僅能減少性能分析后帶來的結構參數(shù)的修改次數(shù)，而且還容易形成快捷的生產(chǎn)加工流程 [5， 18]。 （ 8） 偏距 ： 輪輞中心面到輪輻安裝面間的距離。 （ 3） 輪緣：保持并支撐輪胎方向的輪輞部分。轎車裝配鋁合金車圈，具有散熱快，重量輕，舒適性好，外觀漂亮等優(yōu)點 [13， 18]。 精確的圓形提供了更強的舒適性，同時減少了輪胎磨損。使用鎂合金制造的車輪具有極佳的減振性能。后者 是近年來新興起的輕合金車輪， 一般用于高、中級轎車。 （ 3）輻條式車輪： 輪輞與中央輪盤部件，通過很多輻條實現(xiàn)連結的車輪結構。作為高速旋轉的車輪，影響著車輛的平穩(wěn)性、操縱性等性能。通過常規(guī)的設計方法，設計出車輪的幾何形狀，為有限元分析建立模型時提供車輪的幾何尺寸。傳統(tǒng)的車輪設計是靠經(jīng)驗取值或依靠安全系數(shù)來增加疲勞強度，不僅導致 多 出來的疲勞強度白白浪費，而且會增加 汽車重量，降低整車的燃油經(jīng)濟性。除此之外，車輪還是汽車外觀的重要組成部分。 借助 CATIA 的仿真分析模塊 對所設計的四款車輪進行有限元分析，包括靜強度分析和模態(tài)分析，仿真計算出各個車輪的等效應力分布、固有頻率和振型，對結果進行分析比較。上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結構的有限元模態(tài)分析 1 摘 要 本課題的研究內(nèi)容是“小排量轎車車輪結構的有限元模態(tài)分析”。 分析結果表明：經(jīng)有限元分析得到的結論基本與實際情況相符合，且設計方案 一 和設計方案 二 的輪輻結構較為合理，輪輻結構的受力均勻且遠小于所用材料的許用應力，符合設計的要求。車輪的技術發(fā)展方向是在保證足夠強度和可靠性的前 提下，盡可能減輕其質(zhì)量和美化其外觀 [1]。如何設計出符合現(xiàn)代汽車關于 輕量、低油耗和美觀舒適的設計要求，必須從設計方法上和技術手段上有新的突破 [24]。而通過有限元軟件對設計的車輪模型劃分網(wǎng)格，進行有限元模態(tài)分析，判斷設計的車輪結構是否符合實際要求。車輪與汽車的多種性能密切相關，整車 的安全性和可靠性很大程度上取決于所用車輪及所裝輪胎的性能和使用壽命 [18]。 按輪輻的構造，車輪可分為兩種主要形式：輻板式 和 輻條式 [5]。 鋁合金車 輪 是 八十 年代中期發(fā)展起來的一種新品種，它是由特殊的低溫鑄造工藝手段制成，可把輪輻和輪輞聯(lián)成一體，鑄成各種花式外形。但目前除飛機、跑車等一些特殊場合外，鎂合金車輪還未能像鋁合金車輪那樣廣泛用于市場，主要原因是鎂合金極易氧化的特點給熔煉、鑄造所涉及的環(huán)保和生產(chǎn)成本等因素，帶來了諸多暫時難于大量生產(chǎn)的難題，而且還有許多產(chǎn)業(yè)化的問題有待我們?nèi)パ芯拷鉀Q [5， 13]。因為重量輕，所以增加了載重量。 由于鋁合金車輪的重量輕，可以使小排量轎車的性能得到更好的發(fā)揮，所以本論文選擇鋁合金車輪作為研究的對象。 （ 4） 胎圈座：與輪胎圈接觸，支撐維持輪胎半徑方向的輪輞部分。有正偏距、零偏距、負偏距之分。 目前，在車輪的 實體 建模方面，主要根據(jù)設計任務書的具體要求，查閱以前相關的文獻資料和設計標準，進而確定車輪各部分結構的設計參數(shù)并建立車輪的幾何模型。通過使用這樣對比參照的設計方法，可以突破經(jīng)驗設計的某些束縛，設計出一些具有更優(yōu)性能的車輪。 2） 耐蝕性和耐用性 :鋁合金車輪為了增加耐蝕性，整個外露表面應全部噴漆，所用漆可以是透明的或不透明的、粉末壯的或液態(tài)的。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結構的有限元模態(tài)分析 11 3） 安裝可靠、拆卸方便 :確保車輪在行駛時不發(fā)生松動是至關重要的，所以要考慮車輪的安裝面設計及緊固件的選擇。 整體設計參數(shù) 首先要確定一些重要的背景數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將勾畫出整體設計的輪廓，這主要包括輪輞直徑及寬度、 輪輞厚度、 安裝面分布圓直徑及螺栓孔尺寸 、中心孔配合尺寸、最小可適用輪胎尺寸、前后制動空間尺寸等等 。 由于有些汽車車軸與車軸連接面之間可能存在著倒角關 系，所以一般在中心孔安裝面處設計一個倒角過渡（倒角結構見下圖） 。安裝盤厚度 H1 一般設計為 20～ 25mm。 而對于中心孔結構（ C），根據(jù)上面車軸結構來看，其中心孔有效高度有兩個，即為 H1 和 H2。 對于錐面座，高度尺寸 H 不應小于 3mm，錐面角度為 60 度。對于要求尺寸 d 小于 14mm 的 螺栓孔設計，可讓客戶提供車軸螺栓的規(guī)格，以確定具體尺寸 d。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結構的有限元模態(tài)分析 18 圖 淺沉孔結構 常用的螺栓孔結構 有如圖以下 2 種。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結構的有限元模態(tài)分析 20 圖 輪輞圓周凸峰輪廓尺寸和形狀 表 輪輞圓周凸峰輪廓尺寸 輪輞 標準 輪緣高度H1 胎座寬度 P1 輪緣厚度 P3 輪緣圓角 R2 胎座圓角 R3 凸峰圓角 R5 凸峰側圓角 R4 凸峰側圓角 R6 TRA標準 21min 11min 8min 3min 3min 注： A、上面附圖為 5度深槽 J型輪輞圓凸峰設計的常規(guī)尺寸（適用于 TRA標準，適用的規(guī)格范圍為 14英寸到 28英寸）； B、其中 min為最小值的意思； max為最大值的意思 ； 單位： mm。 輪輻的設計特點是靠近輪輞位置的輪輻截面積最小，然后越靠近安裝盤輪輻的截面積就越大。 而應用覆蓋螺栓孔的裝飾蓋設計時，可把安裝盤的厚度控制在 20～25mm 之間，而安裝盤和輪輻之間的“脖子”厚度控制在 25～ 27mm 之間。 有限元的基本思想就是 假想把彈性連續(xù)體分割成數(shù)目有限的單元，并認為相鄰單元之間僅在節(jié)點處相連。這樣組成的有限元單元集合體，并引進等效節(jié)點力及節(jié)點的約束 條件，由于節(jié)點數(shù)目有限，就成為具有有限自由度的有限元計算模型。引入邊界約束條件后，解此方程組，就求得節(jié)點位移，并可計算出各單元應 力。隨著有限單元法的發(fā)展和應用它在仁程分析中的作用，已從最初的分析和校核擴展到優(yōu)化設計和智能計算機輔助設計技術相結合的程度?？梢源_定一些系統(tǒng)的特征值或臨界值，如結構的穩(wěn)定性分析及線彈性系統(tǒng)固有特性的確定等。在競爭日益激烈的汽車市場，汽車性價比已經(jīng)成為市場競爭的焦點。具體的講，機械與汽車結構的有限元分析的應用體現(xiàn)在三個方面 :一是在機械與汽車的設計中，對所有 結構件，主要機械零部件的強度、剛度、穩(wěn)定性分析，有限元法是一種不可替代的工具 。還可應用于汽車的空氣動力學逆運算，汽車碰撞和被動安全性計算等等 [7]?？梢允煌乃缴辖υ摲ǖ睦斫猓瓤赏ㄟ^非常直觀的物理途徑來學習和應用這一方法，也能為該法建立起嚴格的數(shù)學解釋。以ANSYS 為代表的有限元分析軟件具有以一下優(yōu)點 : 1） 減少設計成本 ； 2） 縮短設計和分析的循環(huán)周期 ； 3） 增加產(chǎn)品和 工 程的可靠性 ； 4） 采用優(yōu)化設計，降低材料的消耗和成本 ； 5） 在產(chǎn)品制造或工程施工前預先發(fā)現(xiàn)潛在的問題 ； 6） 可以進行模擬實驗分析 ； 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結構的有限元模態(tài)分析 26 7） 進行機械事故分析，查找事故原因 。確定邊界條件、施加載荷并求解 。如果要求解應力集中問題 ,則必須在結構的相應區(qū)域細劃分網(wǎng)格 ,這種細化網(wǎng)格可以一次實現(xiàn) ,也可以分步實現(xiàn) 。將整體結構或其一部分簡化為理想的數(shù)學模型 ,即選擇合適的單元 ,并將結構離散化 ,在結構離散的基礎上 ,給定約束、溫度條件、然后再輸入材料特性、節(jié)點載荷和單元載荷等。 3)分析計算結構的受力 、 變形及特性。 車輪模型的建立 CATIA 簡介 CATIA 的全稱是 Computergraphics Aided Threedimensional Interactive Application。 CATIA 大量用于航空航天、汽車及 摩托車行業(yè)、機械、電子、家電與 3C 產(chǎn)業(yè)、 NC 加工等各方面。根據(jù)總體設計要求和前面所敘述的整體設計參數(shù)的局部設計參數(shù)的確定方法，設計出四款 14x6JJ 車輪，實體上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結構的有限元模態(tài)分析 28 結構模型如下面四圖所示。 2）通過幾何模型劃分網(wǎng)格 對于單元的劃分除了要考慮選擇何種單元外 ；還要考慮所用單元的形狀。 為了減小運算規(guī)模 ， 縮短求解時間 ， 在不影響計算精度情況下 ，對輪轂模型作進一步簡化 ， 即用剛性元將載荷作用點與輪轂安裝面聯(lián)接起來 ， 通過剛性元將力和力矩傳遞給輪輻 。 圖 設計方案一車輪模型的網(wǎng)格圖 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結構的有限元模態(tài)分析 31 表 四種車輪所劃分的節(jié)點數(shù)和單元數(shù) 節(jié)點數(shù) 單元數(shù) 設計方案一車輪 44898 84008 設計方案二車輪 46416 86212 設計方案三車輪 43236 81405 設計方案四車輪 45902 85889 確定模型的邊界條件 邊界條件包括施加于模型上的載荷及約束等工況 。 1） 載荷 在分析車輪輪輻受力時 ， 對于制動轂可以把它與輪轂看成一體 ， 經(jīng)過詳細的受力分析 ， 確定引起輪輻開裂主要是輪轂通過安裝面及螺母球面作用于輪輻的垂直力 (靜載荷 )、 彎矩 。車輪或汽車制造 廠規(guī)定的該車輪配用的最大輪胎靜負荷半徑，單位 m； ? —— 輪胎與地面之間的設定摩擦系數(shù)； d —— 車輪內(nèi)偏距或外偏距（內(nèi)偏距為正，外偏距為負），單位 m； F —— 車輪或汽車制造廠規(guī)定的車輪上的最大垂直靜負荷或車輪的額定負荷，單位 N； S —— 強化試驗系數(shù)。 載荷的方向為垂直向下 。分析結果列表如表 到 表 。 表 設計方案二車輪分析結果 氣門孔位置 輪輻螺栓孔處最大應力值 MPa 輪輻通風孔處最大應 力值 MPa 正上方 沿車輪軸向逆時針旋轉 沿車輪軸向逆時針旋轉 45186。 沿車輪軸向逆時針旋轉 沿車輪軸向逆時針旋轉 90186。 沿車輪軸向逆時針旋轉 180186。 3） 從 四 種情況分析的不同方案來看，設計方案三， 多達十五 個通風上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結構的有限元模態(tài)分析 37 孔的結構導致最大應力大出很多，說明該輪輻的結構不合理。從分析結果還可以看出，設計方案一和二的應力比設計方案三和四的應力相對來說分布均勻，從而說明設計方案一和設計方案二的結構比較合理。 模態(tài)分析技術的應用可歸結為一下幾個方面： 1） 評價現(xiàn)有結構系統(tǒng)的動態(tài)特性； 2） 在新產(chǎn)品設計中進行結構動態(tài)特性的預估和優(yōu)化設計； 3） 診斷及預報結構系統(tǒng)的故障 ； 4） 控制結構的輻射噪聲 ； 5） 識別結構系統(tǒng)的載荷 [20]。 安裝模態(tài)能反映出實際的情況 ， 因為約束和實際是一致的 ， 但安裝模態(tài)說明的是在安裝約束情況下 ， 所有可能的模態(tài)情況 ， 并沒有考慮實際結構運動 ,也就是結構真正的工作狀態(tài) 。 既然引入了運動 ， 那么運動條件也就對ODS 產(chǎn)生影響 ， 如轉動情況 ， 不同的轉速對 ODS 可能發(fā)生影響 。 3） 利用有限元模型對試驗條件所產(chǎn)生的誤差進行仿真分析，如邊界條件模擬、附加質(zhì)量、附加剛度所帶來的誤差及其消除。 2） 子結構校正因子修正。首先是如何提高模態(tài)分析的精度，擴大應用范圍。非線性模態(tài)的概念早在 1960 年就由 Rosenberg 提出，雖有不少學者對非線性模態(tài)理論進行了研究，但由于非線性問題本身的復雜性及當時工程實踐中的非線性問題并示引起重視，非線性模態(tài)分析的發(fā)展受 到限制。在非線性建模理論與參數(shù)辨識方面的研究工作亦是當今研究的熱點。根據(jù)振動理論及有限元 理論 ， 具有有限個自由度的彈性系統(tǒng) ， 其矩陣形式的振動方程為 )}({}]{[}]{[}]{[ tFXKXCXM ??? ??? ?????????? ?? ???? （ ） 式中 : ][M ， ][C , ][K 為結構總質(zhì)量矩陣 、 結構總阻尼矩陣 、 結構總剛度矩陣 ； }{X? ， }{X? ， }{X 為結構的加速度向量 、 速 度向量和位移向量 ； )}({ tF 為結構的激振力向量 ， 在模態(tài)分析過程中沒有激振力的作用 ， 取 0)}({ ?tF 得到系統(tǒng)的自由振動方程。 四個車輪的模態(tài)分析結果 結構模態(tài)是振動系統(tǒng)特性的一種表征。 1） 設計方案一車輪 模態(tài)分析 的結果 車輪十個階段的振型如下面各圖所示。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結構的有限元模態(tài)分析 45 表 設計方案二的模態(tài)振型頻率數(shù)據(jù) 振型 頻率 (Hz) 1 2 3 4 5