【正文】 ................................................. 56 參考文獻(xiàn) ................................................................................................... 57 致 謝 ....................................................................................................... 58 附 錄 A ANSYS 分析程序 ....................................................................... 59 附 A1 車(chē)輪受離心力作用 ANSYS 分析程序 ............................................................... 59 附 A2 車(chē)輪受彎矩作用 ANSYS 分析程序 ................................................................... 59 附 A3 車(chē)輪受螺栓預(yù)緊力作用 ANSYS 分析程序 ....................................................... 60 附 A4 改進(jìn)前模型自由振動(dòng)模態(tài)分析程序 .................................................................. 67 附 A5 改進(jìn)前模型約束振動(dòng)模態(tài)分析程序 .................................................................. 71 附 A6 改進(jìn)后模型自由振動(dòng)模態(tài)分析程序 .................................................................. 75 附 A7 改進(jìn)后模型約束振動(dòng)模態(tài)分析程序 .................................................................. 79 1 第 1 章 緒論 課題研究的目的意義 實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，是汽車(chē)節(jié)能的最有效途徑之一。 全球汽車(chē)工業(yè)越來(lái)越注重汽車(chē)的輕量化，表現(xiàn)在鋁及其合金在汽車(chē)材料中所占的比重越來(lái)越大。 鋁合金車(chē)輪行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 鋁合金車(chē)輪的發(fā)展及其現(xiàn)狀 長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，鋼制車(chē)輪在車(chē)輪制造業(yè)中占主導(dǎo)地位，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)車(chē)輛安全、環(huán)保、節(jié)能的要求日趨嚴(yán)格，鋁合金車(chē)輪以其美觀、質(zhì)輕、節(jié)能、散熱好、耐腐蝕、加工性能好等特點(diǎn)，逐步取代鋼制車(chē)輪。二次世界大戰(zhàn)和世界性的能源危機(jī)大大刺激了汽車(chē)商的輕量化需求。 日本鋁合金車(chē)輪工業(yè)是在 1970 年后至 1984 年之間快速發(fā)展起來(lái)的，在 1984 年的年產(chǎn)量達(dá) 640 萬(wàn)件。通用汽車(chē)公司生產(chǎn)的Gorvette 車(chē)和另外兩種 Grand Prix 車(chē)型也采用了鋁合金車(chē)輪 。 20 世紀(jì) 80 年代初，美國(guó)原裝轎車(chē)鋁合金車(chē)輪裝車(chē)率大約 4%一 5%，如今已超過(guò) 40%。加世紀(jì) 90 年代初，在廣東出現(xiàn)了既生產(chǎn)汽車(chē)，又生產(chǎn)摩托車(chē)鋁合金車(chē)輪的南海中南鋁合金輪轂有限公司 ，這兩個(gè)生產(chǎn)廠的生產(chǎn)設(shè)備都已達(dá)到國(guó)際水平。摩托車(chē)的鋁合金車(chē)輪裝車(chē)率已逾 50%。由于直徑大、輪輞寬，使輪胎與地面的接觸面積更大，從而增加了汽車(chē)與地面的附著力，使汽車(chē)的操縱性能更好，提高了汽車(chē)的安全性。 外觀方面，作為象征整車(chē)檔次之一的車(chē)輪外觀，在點(diǎn)綴整車(chē)的時(shí)尚化作用中越來(lái)越向著藝術(shù)化方向發(fā)展，多變的車(chē)輪輪輻形態(tài)和迷人的色澤越來(lái)越為人們所關(guān)注。但是這類(lèi)鑄件的試驗(yàn)條件非常嚴(yán)格和氣 密性要求高，成品率低，生產(chǎn)成本高。它不只限于結(jié)構(gòu)問(wèn)題，也能應(yīng)用到能用偏微分方程表示的任何問(wèn)題中。例 如大連理工大學(xué)、北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)及北京航空航天大學(xué)等單位開(kāi)發(fā)的多單元、多工況、多約束結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序 DDDU，計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序系統(tǒng) MCADS 和 MAS 等，這些系統(tǒng)適用于汽車(chē)及其零部件、飛機(jī)部件、火車(chē)部件等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。他們?cè)趦?yōu)化程序中建立起車(chē)輪優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，以控制輻板形狀的弧段半徑、弧段圓心角等參數(shù)為設(shè)計(jì)參數(shù)，以輻板弧面長(zhǎng)度最小為優(yōu)化目標(biāo)并進(jìn)行優(yōu)化，把優(yōu)化結(jié)果通過(guò)接口程序輸入有限元程序中進(jìn)行網(wǎng)格的重新劃分和應(yīng)力分析計(jì)算。結(jié)果表明優(yōu)化后結(jié)構(gòu)應(yīng)力接近于材料的強(qiáng)度極限，材料性能得到充分利用，結(jié)構(gòu)重量有所降低。 （ 3）對(duì)車(chē)輪進(jìn)行模態(tài)分析，分析車(chē)輪的固有頻率，研究車(chē)輪的是否與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振。是現(xiàn)今主流的 CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過(guò)的簡(jiǎn)易和靈活。例如，一旦工程詳圖有改變， NC（數(shù)控）工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。其主要功用是：支撐整車(chē)；緩和由路面?zhèn)鱽?lái)的沖擊力；保證輪胎同路面間良好的附著作用，提高汽車(chē)的動(dòng)力性、制動(dòng)性和通過(guò)性；汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)產(chǎn)生平衡離心力的側(cè)抗力，在保證汽車(chē)正常轉(zhuǎn)向行駛的同時(shí)，通過(guò)車(chē)輪產(chǎn)生的自動(dòng)回正力矩，使汽車(chē)保持直線行駛方向。輪輞也叫輪圈，用來(lái)安裝輪胎。 （ 2） 組合式：由 2 個(gè)以上的零件組合而成的車(chē)輪，其組成的零件可以分開(kāi)，按其組合形式可分為三類(lèi)： ① 兩片式車(chē)輪：由輪輞和輪輻結(jié)合起來(lái)的結(jié)構(gòu) ，如圖 ； ② 三片式車(chē)輪：由兩個(gè)輪輞零件和一個(gè)輪輻結(jié)合起來(lái)的結(jié)構(gòu)，如圖 。常見(jiàn)的形式主要有深槽輪輞和平底輪輞，此外，還有對(duì)開(kāi)式輪輞和半深槽輪輞等。 輪輞標(biāo)定直徑為 。 圖 完善輪輞輪廓草繪 （ 3） 運(yùn)用旋轉(zhuǎn)命令，建立輪輞三維模型 如圖 所示 。 圖 草繪掃描軌跡 （ 2） 選擇掃描混合指令，草繪截面 如圖 、圖 所示 。 圖 完成車(chē)輪模型建立 本章小結(jié) 本章 研究 了 Pro/E 軟件的組成及功能和 車(chē)輪 結(jié)構(gòu)、種類(lèi)及裝配。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的 美國(guó) ANSYS 開(kāi)發(fā)，它能與多數(shù)CAD 軟件接口 ，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－ DEAS, AutoCAD 等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAE工具之一。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車(chē)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、 微機(jī)電系統(tǒng) 、運(yùn)動(dòng)器械等。 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示 出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、 曲線 形式顯示或輸出。點(diǎn)擊開(kāi)始 所 有 程序 UtilitesCAD configuration Manager 如圖 所示， 在跳出的對(duì)話框中 workbench and ANSYS Geometry Interfaces 和 ICEM CFD Direct CAD Interfaces 打上勾，選擇右邊的 pro/engineer,如圖 所示。 表示接口創(chuàng)建 成功。 邊界條件的處理 合理確定有限元模型的邊界條件是成功進(jìn)行有限元分析的基本要求。因此車(chē)輪 19 輪緣的三個(gè)平移自由度，和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度都受到約束，只允許繞車(chē)輪中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 存在。 試驗(yàn)中車(chē)輪所受到應(yīng)力有彎曲疲勞試驗(yàn)工況下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和車(chē)輪在制造過(guò)程(如鑄造、機(jī)加工、熱處理等 )中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。表 、 分別為車(chē)輪的設(shè)計(jì)參數(shù)及試驗(yàn)參數(shù)。m 最小循環(huán)次數(shù)也可根據(jù)車(chē)輪的尺寸及安全系數(shù)查 SAE J2530 得出，車(chē)輪試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表 所示 。 VFLM ?? （ ） 施加載荷 : LMFV? （ ） 求得 ： VF = 2) 螺栓預(yù)緊力 在試驗(yàn)過(guò)程中車(chē)輪通過(guò)五個(gè)螺栓固定。 代人數(shù)值得： ??QF N 3) 離心力 試驗(yàn)中，車(chē)輪以恒定的轉(zhuǎn)速 1700rpm轉(zhuǎn)動(dòng)。 ANSYS 提供兩種可交 互 使用的實(shí)體建模方法：自頂向下及自底向上；采用基于 NURBS 的三維實(shí)體描述法，幾十種圖素可以模擬任意復(fù)雜的幾何形狀，強(qiáng)大的布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)模型的精雕細(xì)刻，方便的拖拉、旋轉(zhuǎn)、拷貝、縮放、蒙皮、倒角大大減少了建模時(shí)間，輔助工具（如選擇、組元、拾取、工作平面、局部坐標(biāo)系等）為建模提供了極大方便。本課題采用的鋁合金型號(hào)為 A356(ZAL101)。 車(chē)輪強(qiáng)度分析以國(guó)標(biāo) GB/T533420xx轎車(chē) 鋁合金 車(chē)輪性能要求和試驗(yàn)方法所規(guī)定的動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試 驗(yàn) 作為分析依據(jù)，因此在模型中引入 加載軸。 23 圖 單元類(lèi)型對(duì)話框 單擊 Add按鈕 ,彈出 Library of Element Types對(duì)話框選擇好自己要定義的元素類(lèi)型 ,單擊 OK 按 鈕即可 ,如圖 所示。雙擊 Isotropic 將彈出 所示的對(duì)話框。本設(shè)計(jì)使用的是自由網(wǎng)格，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò) Smartsize 自己控制網(wǎng)格的劃分精度。由于所有的線和面在網(wǎng)格劃分開(kāi)始時(shí)已經(jīng)指定大小，生成網(wǎng)格的質(zhì)量與待劃分網(wǎng)格的面或體順序無(wú)關(guān)。 26 螺栓預(yù)緊力 圖 螺栓預(yù)緊力作用下車(chē)輪的應(yīng)力分布云圖 圖 螺栓預(yù)緊力作用下車(chē)輪的位移云圖 分析結(jié)果如圖 所示，由于車(chē)輪結(jié)構(gòu)受力為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，因此采用第四強(qiáng)度 27 理論，即 von mises 應(yīng)力表示。通過(guò) ANSYS 有限元分析， 如圖 所示， 螺栓孔 處 最大變形量為 ，低于設(shè)計(jì)允許的 ，能夠滿足強(qiáng)度要求。說(shuō)明轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心力對(duì)車(chē)輪整天結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的應(yīng)力影響?？偟膩?lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均小于 鋁 合金材料的屈服強(qiáng)度，證明了在靜載荷作用下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是足夠的。 （ 2） 輪輞的應(yīng)力同時(shí)受彎矩和轉(zhuǎn)速的影響，但該處應(yīng)力值小，變化量也小，在試驗(yàn)過(guò)程中不可能發(fā)生強(qiáng)度或疲勞破壞，是安全區(qū)域。但變化較小。 首先 采用 ANSYS 軟件分別對(duì)三種載荷進(jìn)行單獨(dú)加載，研究各種載荷對(duì)結(jié)果強(qiáng)度的影響。 （ 4）輪輻和安裝盤(pán)上的應(yīng)力主要是由試驗(yàn)彎矩和試驗(yàn)轉(zhuǎn)速引起的，是疲勞裂紋容易出現(xiàn)的區(qū)域。 ANSYS的模態(tài)分析可以對(duì)有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)和循環(huán)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。 模態(tài) 分析的步驟 進(jìn)行模態(tài)分析要定義分析類(lèi)型和分析選項(xiàng)，施加約束，指定載荷步選項(xiàng)，然 后進(jìn)行固有頻率的計(jì)算。在 010000Hz內(nèi)提取模態(tài)。由于車(chē)輪空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得分析結(jié)果中可能會(huì)存在局部模態(tài)，因此有必要多求取幾階模態(tài)，以確保掌握它的全部低階模態(tài)。隨后考慮車(chē)輪實(shí)際工作情況并加以簡(jiǎn)化，在車(chē)輪內(nèi)側(cè)法蘭面上施加固定約束。前 6階頻率接近 0，為剛體模態(tài)，可以忽略。 圖 車(chē)輪第 7階振型 32 圖 車(chē)輪第 8階振型 圖 車(chē)輪第 9階振型 33 圖 車(chē)輪第 10階振型 圖 車(chē)輪第 11階振型 34 圖 車(chē)輪第 12階振型 圖 車(chē)輪第 13階振型 35 圖 車(chē)輪第 14階振型 表 車(chē)輪各階頻率 階數(shù) 頻率值（ Hz） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 不考慮速度影響的約束振動(dòng)計(jì)算結(jié)果 不考慮速度影響 (速度 v=0)情況下車(chē)輪約束振動(dòng)各階頻率值與相應(yīng)的振型描述如表 。在 010000Hz范圍內(nèi)共提取了自由振動(dòng)的前 14階模態(tài)和約束振動(dòng)的前 8階模態(tài)。所以，對(duì)車(chē)輪模型進(jìn)行改進(jìn)，減少了車(chē)輪的厚度。 重量為 ，重量 下降 了 17%。 （ 2）輪輞的應(yīng)力同時(shí)受彎矩和轉(zhuǎn)速的影響，但該處應(yīng)力值小，變化量也小， 介于~ 之間。輪輻于輪輞交接處應(yīng)力大小受轉(zhuǎn)速的影響而改 變。 對(duì)改進(jìn)后的車(chē)輪進(jìn)行模態(tài)分析 （ 1） 不考慮速度影 響 (速度 v=0)情況下車(chē)輪自由振動(dòng)各階固有頻率的相應(yīng)振型圖和節(jié)點(diǎn)位移圖分布，分別如圖 至圖 所示。觀察振動(dòng)方向可以發(fā)現(xiàn)，其振動(dòng)方式表現(xiàn)為正交性。觀察振動(dòng)方向可以發(fā)現(xiàn)，其振動(dòng)方式表現(xiàn)為正交性．我們可以將這幾組相鄰子步的頻率值看成是振動(dòng)方程解的重根．在車(chē) 輪內(nèi)側(cè)法蘭面上施加固定約束，計(jì)算所得各階固有頻率的相應(yīng)振型圖和節(jié)點(diǎn)位移圖分布分別如圖 。說(shuō)明了改進(jìn)后的車(chē)輪在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，重量得到了明顯的降低，材料利用率得到 的較好的提高。分析表明螺栓預(yù)緊力在螺栓孔附近產(chǎn)生很大的集中應(yīng)力， 最大 應(yīng)力值 為 294MPa 超出材料的屈服極限，使材料發(fā)生塑性變形，但螺栓預(yù)緊力對(duì)輪 轂、輪輻、輪輞 等部位作用效果近乎為零，對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞性能也沒(méi)明顯影響 。將車(chē)輪的固有頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出頻率比較， 車(chē)輪一階模態(tài)固有頻率 為 ，而四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間一般為 06000rpm，頻率區(qū)間為 0200Hz,兩者相差很大，說(shuō)明沒(méi)有共振發(fā)生，符合要求。