【正文】 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 。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。 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。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(jì)算。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。 為了簡化分析 ， 輪轂?zāi)Ｐ偷牟牧弦才c輪輻相同 。 4 種車輪模型均基本相同 。 車輪所受彎矩 M ，其大小由式 確定。 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 。 沿車輪軸向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 180186。 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 ； 對于 設(shè)計(jì)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(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 。 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，對已有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別、分析和評價(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)場測試的數(shù)據(jù)來診斷及預(yù)報(bào)診斷故障和進(jìn)行噪聲控制 。 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(shí)際運(yùn)動(dòng)工作環(huán)境下變形的影響 。 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 。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。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]。 從 0Hz 到 100Hz 中選取 10 階模態(tài) ， 并提取 10 階模態(tài) 。 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。 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(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。 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。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。 凸出花紋與 路 面 相 合會(huì)引起振動(dòng) 。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 。 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 。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 。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) 對輪胎 橫向剛性有重要的貢獻(xiàn) 。 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。同時(shí)，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。 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 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)。 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 45 表 設(shè)計(jì)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 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。 四個(gè)車輪的模態(tài)分析結(jié)果 結(jié)構(gòu)模態(tài)是振動(dòng)系統(tǒng)特性的一種表征。在非線性建模理論與參數(shù)辨識(shí)方面的研究工作亦是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。首先是如何提高模態(tài)分析的精度，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。 3） 利用有限元模型對試驗(yàn)條件所產(chǎn)生的誤差進(jìn)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。 安裝模態(tài)能反映出實(shí)際的情況 ， 因?yàn)榧s束和實(shí)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(shí)際結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng) ,也就是結(jié)構(gòu)真正的工作狀態(tài) 。從分析結(jié)果還可以看出，設(shè)計(jì)方案一和二的應(yīng)力比設(shè)計(jì)方案三和四的應(yīng)力相對來說分布均勻，從而說明設(shè)計(jì)方案一和設(shè)計(jì)方案二的結(jié)構(gòu)比較合理。 沿車輪軸向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 180186。 表 設(shè)計(jì)方案二車輪分析結(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。 載荷的方向?yàn)榇怪毕蛳?。 1） 載荷 在分析車輪輪輻受力時(shí) ， 對于制動(dòng)轂可以把它與輪轂看成一體 ， 經(jīng)過詳細(xì)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 。 為了減小運(yùn)算規(guī)模 ， 縮短求解時(shí)間 ， 在不影響計(jì)算精度情況下 ，對輪轂?zāi)Ｐ妥鬟M(jìn)一步簡化 ， 即用剛性元將載荷作用點(diǎn)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 。根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求和前面所敘述的整體設(shè)計(jì)參數(shù)的局部設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方法，設(shè)計(jì)出四款 14x6JJ 車輪，實(shí)體上海工程技術(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 28 結(jié)構(gòu)模型如下面四圖所示。 車輪模型的建立 CATIA 簡介 CATIA 的全稱是 Computergraphics Aided Threedimensional Interactive Application。將整體結(jié)構(gòu)或其一部分簡化為理想的數(shù)學(xué)模型 ,即選擇合適的單元 ,并將結(jié)構(gòu)離散化 ,在結(jié)構(gòu)離散的基礎(chǔ)上 ,給定約束、溫度條件、然后再輸入材料特性、節(jié)點(diǎn)載荷和單元載荷等。確定邊界條件、施加載荷并求解 ?？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(xué)習(xí)和應(yīng)用這一方法，也能為該法建立起嚴(yán)格的數(shù)學(xué)解釋。具體的講，機(jī)械與汽車結(jié)構(gòu)的有限元分析的應(yīng)用體現(xiàn)在三個(gè)方面 :一是在機(jī)械與汽車的設(shè)計(jì)中，對所有 結(jié)構(gòu)件，主要機(jī)械零部件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性分析，有限元法是一種不可替代的工具 ?？梢源_定一些系統(tǒng)的特征值或臨界值，如結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析及線彈性系統(tǒng)固有特性的確定等。引入邊界約束條件后，解此方程組，就求得節(jié)點(diǎn)位移，并可計(jì)算出各單元應(yīng) 力。 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(rèn)為相鄰單元之間僅在節(jié)點(diǎn)處相連。 輪輻的設(shè)計(jì)特點(diǎn)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。 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 18 圖 淺沉孔結(jié)構(gòu) 常用的螺栓孔結(jié)構(gòu) 有如圖以下 2 種。 對于錐面座，高度尺寸 H 不應(yīng)小于 3mm，錐面角度為 60 度。安裝盤厚度 H1 一般設(shè)計(jì)為 20～ 25mm。 整體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dòng)空間尺寸等等 。 2） 耐蝕性和耐用性 :鋁合金車輪為了增加耐蝕性，整個(gè)外露表面應(yīng)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。 目前，在車輪的 實(shí)體 建模方面，主要根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的具體要求，查閱以前相關(guān)的文獻(xiàn)資料和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而確定車輪各部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)并建立車輪的幾何模型。 （ 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。因?yàn)橹亓枯p，所以增加了載重量。 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。車輪與汽車的多種性能密切相關(guān)，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]。如何設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)代汽車關(guān)于 輕量、低油耗和美觀舒適的設(shè)計(jì)要求，必須從設(shè)計(jì)方法上和技術(shù)手段上有新的突破 [24]。 分析結(jié)果表明：經(jīng)有限元分析得到 的結(jié)論基本與實(shí)際情況相符合，且設(shè)計(jì)方案 一 和設(shè)計(jì)方案 二 的輪輻結(jié)構(gòu)較為合理，輪輻結(jié)構(gòu)的受力均勻且遠(yuǎn)小于所用材料的許用應(yīng)力，符合設(shè)計(jì)的要求。 借助 CATIA 的仿真分析模塊 對所設(shè)計(jì)的四款車輪進(jìn)行有限元分析，包括靜強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，仿真計(jì)算出各個(gè)車輪的等效應(yīng)力分布、固有頻率和振型，對結(jié)果進(jìn)行分析比較。傳統(tǒng)的車輪設(shè)計(jì)是靠經(jīng)驗(yàn)取值或依靠安全系數(shù)來增加疲勞強(qiáng)度，不僅導(dǎo)致 多 出來的疲勞強(qiáng)度白白浪費(fèi)，而且會(huì)增加 汽車重量，降低整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。作為高速旋轉(zhuǎn)的車輪，影響著車輛的平穩(wěn)性、操縱性等性能。后者 是近年來新興起的輕合金車輪， 一般用于高、中級轎車。 精確的圓形提供了更強(qiáng)的舒適性，同時(shí)減少了輪胎磨損。 （ 3） 輪緣：保持并支撐輪胎方向的輪輞部分。良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能減少性能分析后帶來的結(jié)構(gòu)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]。 圖 車輪 圖 奇瑞 車輪 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 10 圖 POLO_05 款車輪 設(shè)計(jì)的總體要求 考慮到本課題所研究的是整體式鋁合金車輪，又是通過鑄造后機(jī)械加工 成型，所有在確定結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)之前，必須要明確一系列總體的設(shè)計(jì)要求這主要包括： 1） 外型要求 :對于鋁合金車輪，顧客要求的不僅僅是卓越的使用性能，悅目的外觀造型也是很重要的一面，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真考慮顏色、刀紋、加工表面粗糙度以及非加工表面的位置等每一處細(xì)節(jié)。 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 在確定了設(shè)計(jì)方法以后，根據(jù)總體的設(shè)計(jì)要求，就要進(jìn)一步確定鋁合金車輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù) ， 這里的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括整體設(shè)計(jì)參數(shù)和局部設(shè)計(jì)參數(shù)兩部分。 （ 1） 使用覆蓋螺栓孔的裝飾蓋設(shè)計(jì)時(shí)，中心孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 此時(shí)中心孔設(shè)計(jì)可采用簡單的通孔型設(shè)計(jì)，安裝面處設(shè)計(jì)一個(gè) 度的倒角即可。 螺栓孔結(jié)構(gòu)根據(jù)車輛與車輪之間的安裝方式，一般 分為 以下三種： 圖 三種螺栓孔結(jié)構(gòu) 根據(jù)車輛與車輪的裝配關(guān)系，螺栓孔結(jié)構(gòu)上的錐面座和球面座是主要的支撐部位，該部位的高度設(shè)計(jì)不應(yīng)過小。 一般沉孔直徑設(shè)計(jì)為 27mm；深度為 （見下圖）。 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 21 圖 輪輞正面輪緣結(jié)構(gòu) 表 輪輞正面輪緣結(jié)構(gòu) 尺寸 輪輞標(biāo)準(zhǔn) 輪緣厚度 P1（ mm） 胎圈座寬度P2(mm) 輪緣圓角R1(mm) 輪緣圓角R2(mm) TRA標(biāo)準(zhǔn) 12 ～ 2 60 圖 輪輞反面輪緣結(jié)構(gòu) 表 輪輞反面輪緣結(jié)構(gòu) 尺寸 輪輞標(biāo)準(zhǔn) 輪緣寬度P1（ mm） 輪緣寬