【正文】 6 7 8 9 10 3）設(shè)計(jì)方案三車輪模態(tài)分析的結(jié)果 對(duì)設(shè)計(jì)方案三模態(tài)分析 得 到的十個(gè)振型中前六個(gè)振型如下面各圖。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)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(shí)四個(gè)車輪固有頻率相差不大，而在最后 3階時(shí)設(shè)計(jì)方案一的固有頻率值低于其他設(shè)計(jì)。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)算機(jī) CAD/CAE/CAM 技術(shù)，以 CATIA 為軟件平臺(tái)，完成對(duì) 小排量 鋁合金整體式車輪的實(shí)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(diǎn)。而利用其優(yōu)化功能，則可以實(shí)現(xiàn)其輕量化，降低成本。同時(shí)，本文也對(duì)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(zhǎng)期的激勵(lì)是我克服困難、不斷進(jìn)取的動(dòng)力源泉 。 在這方面方法的 開發(fā)提供一個(gè) 辦法 計(jì)算 出輪胎與道路接觸時(shí)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(shí) 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(shí) 對(duì)輪胎 橫向剛性有重要的貢獻(xiàn) 。 胎面花紋對(duì) 車的乘駕特 性 的影響和 對(duì) 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(diǎn)應(yīng)力是非常重要的 。在一個(gè)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?yàn)榘l(fā)生在滾動(dòng)時(shí)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(jì)算是和法向力分布計(jì)算連結(jié)在一起的 。 為了 使車有好乘駕品質(zhì) , 輪胎振 動(dòng)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(huì)引起振動(dòng) 。輪胎的側(cè)向力特 性 對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(yàn)的校驗(yàn)，特別是在疲勞壽命的預(yù)測(cè)方面，應(yīng)該與具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較后再進(jìn)一步修正設(shè)計(jì)模型直至達(dá)到最滿意的結(jié)果。 3） 采用 CATIA 對(duì)車輪進(jìn)行三維造型，直觀、精確、 易于修改，在設(shè)計(jì)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(jì)效率。 2) 運(yùn)用有限元法對(duì)彈性車輪進(jìn)行了模態(tài)分析 ,用 CATIA軟件 仿真計(jì)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(dòng)載荷產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能評(píng)估的有力工具，也是進(jìn)行其它動(dòng)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(jì)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(jì)（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(jì)方案四車輪的模態(tài)分析 設(shè)計(jì)方案三車輪十個(gè)階段的振型中前六個(gè)振型如下面各圖所示。 表 設(shè)計(jì)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(jì)方案二車輪 模態(tài)分析 的結(jié)果 對(duì)設(shè)計(jì)方案二進(jìn)行模態(tài)分析 得 到的十個(gè)振型中前六個(gè)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(dòng)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(yàn)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(dòng)力學(xué)。對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間模態(tài)的測(cè)量分析、頻響函數(shù)的耦合、高頻模態(tài)檢測(cè)、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(shí)修正。 5） 利用有限元模型仿真分析解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(yàn)的測(cè)量點(diǎn)、激勵(lì)點(diǎn)、支持點(diǎn)（懸掛點(diǎn)），參照計(jì)算振型隊(duì)測(cè)試模態(tài)參數(shù)進(jìn)行辯識(shí)命名 ， 尤其是對(duì)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(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)不同 ，那么不同的運(yùn)動(dòng) ， 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(yàn) 、 類比和靜態(tài)設(shè)計(jì)方法微動(dòng)態(tài)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 ； 在于借助于試驗(yàn)與 理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)已有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別、分析和評(píng)價(jià)，從中找出結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在動(dòng)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(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)來診斷及預(yù)報(bào)診斷故障和進(jìn)行噪聲控制 。設(shè)計(jì)方案一相對(duì)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(jì)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(jì)（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(jì)方案二的應(yīng)力分布圖 圖 設(shè)計(jì)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(jì)（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(jì)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(jì)方案一、二和三車輪 在氣門孔相對(duì)于正上方沿車輪軸逆時(shí)針（ 或順時(shí)針 ） 旋轉(zhuǎn) 90 度 時(shí) ， 輪輻的應(yīng)力均達(dá)到最大 ； 對(duì)于 設(shè)計(jì)方案四車輪的 輪輻是在通風(fēng)孔相對(duì)于正上方沿車輪軸逆時(shí)針 （ 或順時(shí)針 ） 旋轉(zhuǎn) 45度 時(shí) ， 輪輻的應(yīng)力達(dá)到最大 。 表 設(shè)計(jì)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(shí)針旋轉(zhuǎn) 沿車輪軸向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 45186。 沿車輪軸向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 180186。 沿車輪軸向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 沿車輪軸向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90186。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(duì)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(jì)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(duì)于 設(shè)計(jì)的四 種車輪的有限元模型均可按車輪動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)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(jiǎn)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(guó)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(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、三維建模、分析計(jì)算、動(dòng)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(jì)與分析、人機(jī)交換等實(shí)用模塊。可輸出節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力、必要時(shí)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(jiǎn)單化和理想化、使之既有一定的精度又便于計(jì)算。如果事先不知道各個(gè) 零件的邊界條件 ,則必須把整個(gè)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(shí)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(diǎn)外，有限元法還有許多優(yōu)點(diǎn)，如在應(yīng)力分析中，有限元模型與 實(shí)際結(jié)構(gòu)非常相似，而不是一種很難形象化的與實(shí)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(dòng)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(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀形象地再現(xiàn)各構(gòu)件的振動(dòng)模態(tài)，進(jìn)一步計(jì)算出各構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)地描繪出動(dòng)態(tài)過程，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(jì)（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(dòng)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(jiǎn)化。 在此基礎(chǔ)上，對(duì)每一單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)單元的平衡方程，這就建立了單元節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)應(yīng)力之間的關(guān)系。切點(diǎn)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(shí)計(jì)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(duì)于靠近輪輞部位的輪輻厚度，設(shè)計(jì)時(shí)可先考慮在 20mm 到 26mm 之間波動(dòng)。在符合輪輞標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，圖 和圖 為輪輞正面 與反面 輪緣的常用設(shè)計(jì)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(tái)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(duì)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(jì)，絕大部分汽車車軸上的螺栓規(guī)格設(shè)計(jì)有兩種： 和 。 當(dāng)車輪應(yīng)用于卡車或 SUV 時(shí)， 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(jì)（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(shí)中心孔結(jié)構(gòu) （ 2） 使用裸露螺栓孔的裝飾蓋設(shè)計(jì)時(shí)的中心孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)的中心孔設(shè)計(jì)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(jì)（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(jì)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(jì)對(duì)加工工藝提出了更高的要求，有時(shí)需要增加一些專用工具或設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)，有時(shí)需要造型設(shè)計(jì)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(shì)，但設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)象， 同時(shí)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(diǎn)，設(shè)計(jì) 幾 種造型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各項(xiàng)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(yàn)，從而可能導(dǎo)致一些新的設(shè)計(jì)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文