【正文】 出一些具有更優(yōu)性能的車輪。 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 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(guān)重要的，所以要考慮車輪的安裝面設(shè)計及緊固件的選擇。 由于有些汽車車軸與車軸連接面之間可能存在著倒角關(guān) 系，所以一般在中心孔安裝面處設(shè)計一個倒角過渡（倒角結(jié)構(gòu)見下圖） 。 而對于中心孔結(jié)構(gòu)（ C），根據(jù)上面車軸結(jié)構(gòu)來看，其中心孔有效高度有兩個，即為 H1 和 H2。對于要求尺寸 d 小于 14mm 的 螺栓孔設(shè)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(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 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(biāo)準(zhǔn) 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(cè)圓角 R4 凸峰側(cè)圓角 R6 TRA標(biāo)準(zhǔn) 21min 11min 8min 3min 3min 注： A、上面附圖為 5度深槽 J型輪輞圓凸峰設(shè)計的常規(guī)尺寸（適用于 TRA標(biāo)準(zhǔn)，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。 而應(yīng)用覆蓋螺栓孔的裝飾蓋設(shè)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。這樣組成的有限元單元集合體，并引進(jìn)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。隨著有限單元法的發(fā)展和應(yīng)用它在仁程分析中的作用，已從最初的分析和校核擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計和智能計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)相結(jié)合的程度。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。還可應(yīng)用于汽車的空氣動力學(xué)逆運算，汽車碰撞和被動安全性計算等等 [7]。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(shè)計成本 ； 2） 縮短設(shè)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(shè)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(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題 ； 6） 可以進(jìn)行模擬實驗分析 ； 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 26 7） 進(jìn)行機(jī)械事故分析，查找事故原因 。如果要求解應(yīng)力集中問題 ,則必須在結(jié)構(gòu)的相應(yīng)區(qū)域細(xì)劃分網(wǎng)格 ,這種細(xì)化網(wǎng)格可以一次實現(xiàn) ,也可以分步實現(xiàn) 。 3)分析計算結(jié)構(gòu)的受力 、 變形及特性。 CATIA 大量用于航空航天、汽車及 摩托車行業(yè)、機(jī)械、電子、家電與 3C 產(chǎn)業(yè)、 NC 加工等各方面。 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。 圖 設(shè)計方案一車輪模型的網(wǎng)格圖 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 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(shè)計方案一車輪 44898 84008 設(shè)計方案二車輪 46416 86212 設(shè)計方案三車輪 43236 81405 設(shè)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 。車輪或汽車制造 廠規(guī)定的該車輪配用的最大輪胎靜負(fù)荷半徑，單位 m； ? —— 輪胎與地面之間的設(shè)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(fù)），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(fù)荷或車輪的額定負(fù)荷，單位 N； S —— 強(qiáng)化試驗系數(shù)。分析結(jié)果列表如表 到 表 。 沿車輪軸向逆時針旋轉(zhuǎn) 沿車輪軸向逆時針旋轉(zhuǎn) 90186。 3） 從 四 種情況分析的不同方案來看，設(shè)計方案三， 多達(dá)十五 個通風(fēng)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 37 孔的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致最大應(yīng)力大出很多，說明該輪輻的結(jié)構(gòu)不合理。 模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為一下幾個方面： 1） 評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性； 2） 在新產(chǎn)品設(shè)計中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計； 3） 診斷及預(yù)報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障 ； 4） 控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲 ； 5） 識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷 [20]。 既然引入了運動 ， 那么運動條件也就對ODS 產(chǎn)生影響 ， 如轉(zhuǎn)動情況 ， 不同的轉(zhuǎn)速對 ODS 可能發(fā)生影響 。 2） 子結(jié)構(gòu)校正因子修正。非線性模態(tài)的概念早在 1960 年就由 Rosenberg 提出，雖有不少學(xué)者對非線性模態(tài)理論進(jìn)行了研究，但由于非線性問題本身的復(fù)雜性及當(dāng)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。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(jié)構(gòu)總質(zhì)量矩陣 、 結(jié)構(gòu)總阻尼矩陣 、 結(jié)構(gòu)總剛度矩陣 ； }{X? ， }{X? ， }{X 為結(jié)構(gòu)的加速度向量 、 速 度向量和位移向量 ； )}({ tF 為結(jié)構(gòu)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。 1） 設(shè)計方案一車輪 模態(tài)分析 的結(jié)果 車輪十個階段的振型如下面各圖所示。 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。而利用其優(yōu)化功能，則可以實現(xiàn)其輕量化，降低成本。 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 。 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 。 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 。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 。 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 足車輛相 應(yīng)的特 性 。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)。 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 。 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。 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。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。最近已逐步形成了所謂非線性模態(tài)動力學(xué)。 4） 剛度矩陣和質(zhì)量矩陣同時修正。 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。 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 。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。 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) 沿車輪軸向逆時針旋轉(zhuǎn) 90186。 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 ? 。 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 。 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)。 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?？奢敵龉?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。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。不論是線性或非線性的分析 ,其總體分析過程都基本相同。這從上面介紹的應(yīng)用范圍可看到。 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。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。 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。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。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 。 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。 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。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)。 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]。 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 。 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 8 圖 車輪結(jié)構(gòu)圖 2 車輪的設(shè)計 車輪的設(shè)計方法概述 車輪的 實體 建模是整個設(shè)計工程中 最重要的一個環(huán)節(jié)，因為它既是產(chǎn)品初步定型的過程，又是后面進(jìn)行性能分析和模擬加工的基礎(chǔ)。 （ 2） 輪輻：與車軸輪轂實施安裝連接，支撐輪輞的車輪部分。鋁合金的力學(xué)性能雖然比不上鋼材，但通過結(jié)構(gòu)、壁厚、選材、熱處理等強(qiáng)化措施來提高材質(zhì)和產(chǎn)品本身性能，完全可滿足整車對安全的要求（實踐證明，鋁合金車輪在強(qiáng)度、鋼度和韌性上能像鋼車輪一樣滿足整車安全和使用要求）而且還具有鋼車輪無法比擬的許多優(yōu)點。 前者 是用合金鋼板材通過軋壓和沖壓制成輪輞、輪輻（或鋼絲）的坯料，再接焊接，點焊、二氧化碳電弧焊、擠壓等工序裝配組合而成的，這類車輪由于很適宜大批上海工程技術(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 6 量生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)性好，作為傳統(tǒng)性軋制車輪，大多 用于載重汽