【正文】 6 7 8 9 10 3）設(shè)計方案三車輪模態(tài)分析的結(jié)果 對設(shè)計方案三模態(tài)分析 得 到的十個振型中前六個振型如下面各圖。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 48 表 設(shè)計方案四的模態(tài)振型頻率數(shù)據(jù) 振型 頻率 (Hz) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 車輪模態(tài)分析的結(jié)論 1） 在前 7階時四個車輪固有頻率相差不大，而在最后 3階時設(shè)計方案一的固有頻率值低于其他設(shè)計。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 49 5 結(jié)論與展望 本文主要使用計算機(jī) CAD/CAE/CAM 技術(shù)，以 CATIA 為軟件平臺，完成對 小排量 鋁合金整體式車輪的實體建模、 強(qiáng)度 分析和 模態(tài)分析 等方面的工作，現(xiàn)得出以下結(jié)論 : 1） 較全面地了解 了當(dāng)前非常 流行的 CAD/CAM/CAE 集成軟件 CATIA 的主要功能及其建模的特點。而利用其優(yōu)化功能，則可以實現(xiàn)其輕量化，降低成本。同時，本文也對使用 CAD/CAE/CAM 技術(shù)開展其他機(jī)械零件的研究工作提供了一定的參考。 特別感謝我的父母及家人，他們殷切的期望、無盡的關(guān)懷、無私的奉獻(xiàn)、長期的激勵是我克服困難、不斷進(jìn)取的動力源泉 。 在這方面方法的 開發(fā)提供一個 辦法 計算 出輪胎與道路接觸時控制 這些 工作特性 的力。 關(guān)于上述提到的 輪胎 工作 特性直接地影響輪胎 與路面接觸時 力 的變化 。特別 是當(dāng)胎面凸起花紋 的大小和形狀與 它 們的 橫向剛性 一起 時 對輪胎 橫向剛性有重要的貢獻(xiàn) 。 胎面花紋對 車的乘駕特 性 的影響和 對 輪胎噪聲一樣 包括在這 些現(xiàn)象 中 。在這種情況下 , 在縱向方向上輪胎和路面的觸點應(yīng)力是非常重要的 。在一個真正的輪胎 上 , 車輪接地面積的大小和形狀受到可得到的摩擦的總數(shù)的影響 。 磨損主要有三種組要形式 : 整體磨損 、參差不齊的 磨損 和不規(guī)則的 磨損 。改進(jìn)胎面磨損是困難的，因為發(fā)生在滾動時車輪與路面的接觸面上的磨損過程是非常復(fù)雜的 。在這 方面 ,摩擦阻力的計算是和法向力分布計算連結(jié)在一起的 。 為了 使車有好乘駕品質(zhì) , 輪胎振 動的 振幅、 頻率和方向必須補(bǔ) 足車輛相 應(yīng)的特 性 。 凸出花紋與 路 面 相 合會引起振動 。輪胎的側(cè)向力特 性 對車的 操縱 的質(zhì)量 有著顯著 地貢獻(xiàn)。輪胎的基本結(jié)構(gòu) , 稱 為輪胎胎體（簾布） ,就像那種 典型的輻形客車輪胎。 有限元分析滿足 了 在一定區(qū)域 對輪胎結(jié)構(gòu)分析的需要 , 包括整體 剛度 的演算 , 膨脹的和被裝載的形狀 ，接觸 壓力和內(nèi)部 應(yīng)力 。 感謝各位在我論文寫作過程中對我指導(dǎo)的全體老師， 特別是黃虎老師和華健老師 給我論文的修改提出了許多寶貴意見和建議。 相對于完成的工作，本論文的 不足之處主要在于沒有進(jìn)行相關(guān)試驗的校驗，特別是在疲勞壽命的預(yù)測方面，應(yīng)該與具體的實驗結(jié)果比較后再進(jìn)一步修正設(shè)計模型直至達(dá)到最滿意的結(jié)果。 3） 采用 CATIA 對車輪進(jìn)行三維造型，直觀、精確、 易于修改，在設(shè)計階段就可以判斷其結(jié)構(gòu)的正確與否，大大提高了設(shè)計效率。 2) 運用有限元法對彈性車輪進(jìn)行了模態(tài)分析 ,用 CATIA軟件 仿真計算出彈性車輪的固有頻率和振型 ,模態(tài)分析是各種承受動載荷產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)設(shè)計和性能評估的有力工具，也是進(jìn)行其它動力學(xué)分析，如諧響應(yīng)分析、疲勞分析和譜分析的基礎(chǔ)。 表 設(shè)計方案三的模態(tài)振型頻率數(shù)據(jù) 振型 頻率 (Hz) 1 2 3 4 5 6 7 8 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 47 9 10 4）設(shè)計方案四車輪的模態(tài)分析 設(shè)計方案三車輪十個階段的振型中前六個振型如下面各圖所示。 表 設(shè)計方案一的模態(tài) 振型頻率數(shù)據(jù) 振型 頻率 (Hz) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2） 設(shè)計方案二車輪 模態(tài)分析 的結(jié)果 對設(shè)計方案二進(jìn)行模態(tài)分析 得 到的十個振型中前六個振型如下面各圖。 從 0Hz 到 100Hz 中選取 10 階模態(tài) ， 并提取 10 階模態(tài) 。式 有非零解的條件是系數(shù)行列式等于零 ,即 0][][ 2 ?? MK ? ???? ??? ?????????????????? （ ） 系統(tǒng)自由振動特性的求解問題就是求矩陣特征值 ? 和特征向量 }{X 的問題。展望未來，模態(tài)分析與試驗技術(shù)仍將以新的速度，新的內(nèi)容向前發(fā)展 [20]。最近已逐步形成了所謂非線性模態(tài)動力學(xué)。對復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間模態(tài)的測量分析、頻響函數(shù)的耦合、高頻模態(tài)檢測、抗噪聲干擾等等方面的研究尚需進(jìn)一步開展。 4） 剛度矩陣和質(zhì)量矩陣同時修正。 5） 利用有限元模型仿真分析解決實驗中出現(xiàn)的問題 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 39 模態(tài)分析和有限元分析結(jié)合使用 1） 利用有限元分析模型確定模態(tài)試驗的測量點、激勵點、支持點（懸掛點），參照計算振型隊測試模態(tài)參數(shù)進(jìn)行辯識命名 ， 尤其是對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)很重要。 通過約束模態(tài)分析和 ODS 分析可以判斷出約束模態(tài)中的幾階對實際運動工作環(huán)境下變形的影響 。 約束不同 ， 那么不同的安裝帶來了不同的模態(tài)結(jié)果 ， 也即分出了自由 、 安裝模態(tài) ； 約束相同 ， 運動不同 ，那么不同的運動 ， 也即引入了工作變形 (ODS)等 。 模態(tài)分析所尋求的最終目標(biāo)在于改變機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由經(jīng)驗 、 類比和靜態(tài)設(shè)計方法微動態(tài)、優(yōu)化設(shè)計方法 ； 在于借助于試驗與 理論分析相結(jié)合的方法，對已有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行識別、分析和評價，從中找出結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在動態(tài)性能上存在的問題，確保工程結(jié)構(gòu)能安全可靠及有效的工作 ； 在于根據(jù)現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)來診斷及預(yù)報診斷故障和進(jìn)行噪聲控制 。設(shè)計方案一相對于其它 三 種輪輻最大應(yīng)力值明顯小很多，結(jié)構(gòu)也比較合理。 圖 設(shè)計方案一車輪的應(yīng)力分布圖 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 35 圖 設(shè)計方案二的應(yīng)力分布圖 圖 設(shè)計方案 三 車輪的應(yīng)力分布圖 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 36 圖 設(shè)計方案 四 的應(yīng)力分布圖 分析后的結(jié)論 從表 到表 可以看出 ， 在滿足輪輻 最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度95MPa 的條件下，分 析如下 ： 1）設(shè)計方案一、二和三車輪 在氣門孔相對于正上方沿車輪軸逆時針（ 或順時針 ） 旋轉(zhuǎn) 90 度 時 ， 輪輻的應(yīng)力均達(dá)到最大 ； 對于 設(shè)計方案四車輪的 輪輻是在通風(fēng)孔相對于正上方沿車輪軸逆時針 （ 或順時針 ） 旋轉(zhuǎn) 45度 時 ， 輪輻的應(yīng)力達(dá)到最大 。 表 設(shè)計方案四車輪分析結(jié)果 氣門孔位置 輪輻螺栓孔處最大應(yīng)力值 MPa 輪輻通風(fēng)孔處最大應(yīng)力值 MPa 正上方 沿車輪軸向逆時針旋轉(zhuǎn) 沿車輪軸向逆時針旋轉(zhuǎn) 45186。 沿車輪軸向逆時針旋轉(zhuǎn) 180186。 沿車輪軸向逆時針旋轉(zhuǎn) 沿車輪軸向逆時針旋轉(zhuǎn) 90186。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 33 模型的分析及其后處理 對車輪 四 種不同結(jié)構(gòu)的輪輻利用 CATIA 有限元分析軟件分別進(jìn)行線性靜力分析 ， 繪出該軟件根據(jù)形狀改變比能理論 （ 第四強(qiáng)度理論 ） 算出的密賽斯屈服應(yīng)力分布圖 （ Von Mises Stress Contour） 以此確定輪輻的最大應(yīng)力 。 設(shè)計方案二和三所研究的車輪參數(shù)為： R =， d =， F =500kg=4900N， S =， ? = mNSFdRM v ????? 0 6 1)( ? 再由 LFM ?? 算出力臂 mmL ? 。 車輪所受彎矩 M ，其大小由式 確定。 因此對于 設(shè)計的四 種車輪的有限元模型均可按車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗條件來確定邊界條件 。 4 種車輪模型均基本相同 。 CATIA 提供了 三 種單元生成方法：自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格和人工技術(shù)。 為了簡化分析 ， 輪轂?zāi)Ｐ偷牟牧弦才c輪輻相同 。 CATIA 已經(jīng)逐漸成為國內(nèi)外大學(xué)院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)課，也成為工程技術(shù)人員必備的技能。它的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、三維建模、分析計算、動態(tài)模擬與仿真、工程圖的生成到生產(chǎn)加工成產(chǎn)品的全過程，其中還包括了大量電纜和管道布線、各種模具設(shè)計與分析、人機(jī)交換等實用模塊。可輸出節(jié)點的位移、應(yīng)力、必要時可繪制出結(jié)構(gòu)的變形網(wǎng)格圖、等位移線圖、等應(yīng)力線圖等。所謂建立力學(xué)模型 ,就是在保持機(jī)械零部件原有結(jié)構(gòu)形狀、邊界約束、邊界溫度以及受載狀況等基本情況下、把結(jié)構(gòu)簡單化和理想化、使之既有一定的精度又便于計算。如果事先不知道各個 零件的邊界條件 ,則必須把整個結(jié)構(gòu)作為多物體接觸問題求解。 利用有限進(jìn)行靜力分析的具體實施過程可分為 以 下幾步 : 1)明確結(jié)構(gòu)分析的目的和要求 ,再確定問題的類型和規(guī)模。不論是線性或非線性的分析 ,其總體分析過程都基本相同。當(dāng)然除這二點外，有限元法還有許多優(yōu)點，如在應(yīng)力分析中，有限元模型與 實際結(jié)構(gòu)非常相似，而不是一種很難形象化的與實際結(jié)構(gòu)十分不同的抽象物等。這從上面介紹的應(yīng)用范圍可看到。三 是在應(yīng)用機(jī)械與汽車結(jié)構(gòu)動態(tài)分析中，普遍采用有限元法來進(jìn)行各構(gòu)件的模態(tài)分析，同時在計算機(jī)屏幕上直觀形象地再現(xiàn)各構(gòu)件的振動模態(tài)，進(jìn)一步計算出各構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)，上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 25 較真實地描繪出動態(tài)過程，為結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計提供方便有效的 工 具 。 在機(jī)械與汽車結(jié)構(gòu)分析中，有限元法已作為一種常用的基本方法被廣泛應(yīng)用。 汽車是藝術(shù)和技術(shù)的結(jié)合。如線彈性上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 24 系統(tǒng)的應(yīng)力分析，也可應(yīng)用在靜電學(xué)、靜磁學(xué)、穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和多孔介質(zhì)中的流體流動等的分析。因此，只要研究井確定有限大小單元的力學(xué)特性，就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的方法求解，使問題得到簡化。 在此基礎(chǔ)上，對每一單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個簡單的函數(shù)來近似模擬其位移分量的分布規(guī)律，即選擇位移模式，再通過虛功原理 (或變分原理或其它方法 )求得每個單元的平衡方程，這就建立了單元節(jié)點與節(jié)點應(yīng)力之間的關(guān)系。切點一般都在單元邊界上。此后應(yīng)用數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和工程師們由于各種原因也都涉足過有 限單元的概念，但由于當(dāng)時計算技術(shù)的約束，不能用以解決工程技術(shù)問題，因而也就沒有引起科學(xué)及工程界的重視。 根據(jù)載荷和輪輻寬度的差異，對于靠近輪輞部位的輪輻厚度，設(shè)計時可先考慮在 20mm 到 26mm 之間波動。在符合輪輞標(biāo)準(zhǔn)的同時，圖 和圖 為輪輞正面 與反面 輪緣的常用設(shè)計結(jié)構(gòu) ，具體尺寸見表 和表 。 輪輞扁平凸峰輪廓尺寸和形狀如圖 和表 所示，輪輞圓周凸峰輪廓尺寸和形狀 如圖 和表 所示。 為適應(yīng)一些車軸螺栓底部存在倒角或凸臺的需要，要在螺栓孔的底部增加淺沉孔結(jié)構(gòu)，保證螺栓和螺栓孔的準(zhǔn)確配合。 對于螺栓孔通孔的直徑尺寸 d，根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)車輛的統(tǒng)計，絕大部分汽車車軸上的螺栓規(guī)格設(shè)計有兩種： 和 。 當(dāng)車輪應(yīng)用于卡車或 SUV 時， H2 為最好為 65mm 以上，而 H1 最好為 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 17 18mm 以上。 圖 使用 覆蓋螺栓孔的 裝飾蓋時中心孔結(jié)構(gòu) （ 2） 使用裸露螺栓孔的裝飾蓋設(shè)計時的中心孔結(jié)構(gòu)設(shè)計： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 16 此時的中心孔設(shè)計由于考慮到裝飾蓋的安裝，一般可分成以下的幾種結(jié)構(gòu)。常見的車軸結(jié)構(gòu)如下圖： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 15 圖 車軸結(jié)構(gòu) 根據(jù)上圖車軸的結(jié)構(gòu)，我們常用的中心孔結(jié)構(gòu)主要有以下的幾種結(jié)構(gòu)。其中， 輪輞 在設(shè)計上已經(jīng)形成了比較固定的參考標(biāo)準(zhǔn)，這里將參考5 度 深槽 輪輞 的輪廓尺寸標(biāo)準(zhǔn) ，具體尺寸見下列各表。 4） 加工工藝的要求 :鋁合金車 輪復(fù)雜多變的造型設(shè)計對加工工藝提出了更高的要求，有時需要增加一些專用工具或設(shè)備，設(shè)計時應(yīng)該考慮盡量避 免新的設(shè)備及工件，并 考慮鑄造加工的工藝性特點，有時需要造型設(shè)計做出一些讓步 [5， 13， 18]。盡管目前鑄造鋁合金普遍采用 A356 合金，最大限 度地降低了腐蝕趨勢，但設(shè)計時要注意，如果鋁合金中含銅量較高，則在電化學(xué)條件下就更易于腐蝕。 本課題 所研究的小排量轎車車輪 是以 車的鋁合金車輪 （圖 和圖 ） 作為主要的 參照 對象， 同時參考 POLO（圖 ） 等幾款相似的車型所使用的鋁合金車輪的造型特點，設(shè)計 幾 種造型結(jié)構(gòu)簡單，各項性能比較優(yōu)越，易于加工制造的新 車輪 。但是這種方法又過于依靠經(jīng)驗，從而可能導(dǎo)致一些新的設(shè)計上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文