【文章內(nèi)容簡介】 。 二十世紀(jì)七十年代開始，有限元法的出現(xiàn)為機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究提供了強(qiáng)有力的分析工具，特別是隨著計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展， CAD 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及有限元軟件的出現(xiàn)使人們開始嘗試用有限元方法研究車輪結(jié)構(gòu)。 目前，國際上的許多車輪生產(chǎn)廠商、供應(yīng)商，如 Hayes Lemmerz International、Accuride corporation 及 American Eagle Wheel Corporation 等，都已經(jīng)廣泛采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD（ Computer Aided Design）軟件如 Pro/engineer\UG 等實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)，并運(yùn)用如 :MAC、 Ansys 等計(jì)算機(jī)輔助工程軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核、華僑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 緒論 4 壽命分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。這不僅大大的縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期，而且有效的保證了產(chǎn)品的使用性能，提高了產(chǎn)品的使用壽命，使企業(yè)在激烈的市場競爭中具有強(qiáng)有力的競爭能力 【 14】 ~【 16】 。 然而，從目前整個車輪行業(yè)來看，我國車輪設(shè)計(jì)研究工 作的方法和手段都比較落后。絕大多數(shù)的車輪廠商仍然沿用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對車輪進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，為了了解車輪的結(jié)構(gòu)性能，大多數(shù)廠商采用試驗(yàn)法，即在車輪設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來以后，也要進(jìn)行架試驗(yàn)和路試。這樣不僅浪費(fèi)大量人力物力，而且延長設(shè)計(jì)周期，難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，特別是不能在設(shè)計(jì)階段就對車輪進(jìn)行精確的計(jì)算和預(yù)測。 近些年來，國內(nèi)外許多學(xué)者在運(yùn)用有限元方法進(jìn)行車輪設(shè)計(jì)方面取得了許多有意義的成果。 2020 年 在 Engineering Failure Analysis 上發(fā)表的論文中以某型號客車車輪為研究對象 ，模擬彎曲疲勞試驗(yàn)時車輪所受的載荷及約束情況，運(yùn)用有限元分析軟件分析了車輪在疲勞試驗(yàn)中出現(xiàn)的最大應(yīng)力值以及危險應(yīng)力點(diǎn)的位置，并與車輪彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行對比驗(yàn)證該分析的可靠性 【 17】 。 2020年 , 在 Engineering Failure Analysis 發(fā)表的論文中以貨車車輪為研究對象，運(yùn)用有限元軟件對車輪進(jìn)行疲勞壽命分析，并分析了由于生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的瑕疵對車輪疲勞壽命的影響情況，及針對這些情況對車輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 【 18】 。 2020 年 Raju, 和 Babu 在 Engineering Failure Analysis 上發(fā)表的論文中以某型號鋁合金車輪為研究對象，模擬車輪徑向疲勞試驗(yàn)時施加的載荷及邊界條件，運(yùn)用有限元軟件對車輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并根據(jù)車輪材料的 SN 曲線運(yùn)用疲勞壽命理論對車輪進(jìn)行疲勞壽命分析并與實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行對比 【 19】 。 2020 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張斌在其碩士學(xué)位論文中以 14x6JJ 鋁合金車輪為研究對象，運(yùn)用 SNSYS 軟件對該型號車輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析、變幅載荷下車 輪有限壽命疲勞設(shè)計(jì)、局部應(yīng)力應(yīng)變法預(yù)測車輪疲勞壽命，并運(yùn)用可靠度理論，對預(yù)測得到的車輪壽命進(jìn)行可靠度計(jì)算，得出兩種方法預(yù)測車輪的疲勞壽命均為可信的結(jié)論 【 20】 。 2020 年廣西大學(xué)的韋傾在其碩士論文中以三件式裝載機(jī)車用輪輞為研究對象，運(yùn)用 UG 對車輪輪輞進(jìn)行建模并導(dǎo)進(jìn) Ansys 軟件中進(jìn)行疲勞分析及進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文中提出了存在接觸的三件式裝載機(jī)車輪的疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，并提出了徑向疲勞試?yàn)試驗(yàn)的模擬方式以及對進(jìn)行分析 【 21】 。 有限元法在汽車工程中的應(yīng)用 在汽車結(jié)構(gòu)中，一些結(jié)構(gòu)件的工作條件比較惡劣，有些長期在滿載、振動與沖擊載荷下工作。尋求有關(guān)這些結(jié)構(gòu)件正確而可靠的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法，是提高汽車的工作性能以及可靠性與壽命的主要途徑之一．對汽車的各個主要結(jié)構(gòu)樣進(jìn)行分析，是研究其可靠性、尋求最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的主要手段。汽車的結(jié)構(gòu)由于其本身結(jié)構(gòu)形狀的多樣，復(fù)雜性以及載荷系統(tǒng)的惡劣復(fù)雜性使以往采用經(jīng)典力學(xué)華僑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 緒論 5 的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時往往帶有局限性．在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。為了能夠計(jì)算，往往采用較多的假設(shè)和簡化，計(jì)算模型只能構(gòu)造得非常簡單，與實(shí)際的結(jié)構(gòu)形狀相差很大，所以計(jì)算是粗糙的、不很精確的，而一些結(jié)構(gòu)件甚至 采用常規(guī)方法根本無法計(jì)算，這些都影響了汽車工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。 帶有大的貯存容量的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，標(biāo)志了以分析驗(yàn)證為基礎(chǔ)的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)革命的開始，而 1970 年美國 NASTRAN 軟件的引入，則表明了這一時期的起點(diǎn)，該軟件代表了一種新的計(jì)算功能，它是一個面向用戶的通用的有限元結(jié)構(gòu)分析程序。 有限單元法的一個獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是可以求解結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都相當(dāng)任意的力學(xué)問題。所以有限元法出現(xiàn)后，立即就應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)的計(jì)算之中，成為一種可靠的新的理論計(jì)算方法。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，有限單元法已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ CAD ） 中的一部分，滲透到了每一輛汽車的設(shè)計(jì)計(jì)算中。汽車結(jié)構(gòu)有限元分析的應(yīng)用體現(xiàn)在：一是對所有結(jié)構(gòu)件、主要機(jī)械零部件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性分析，有限單元法是一種不可替代的工具；二是在汽車結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ CAD ）、優(yōu)化設(shè)計(jì)中，有限單元法作為結(jié)構(gòu)分析的工具，己成為其中主要組成部分。三是應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)動態(tài)分析中，使用有限單元法進(jìn)行各構(gòu)件的模態(tài)分析，同時在計(jì)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(jì)算出各構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)，較真實(shí)地描繪出動態(tài)過程，為構(gòu)件的動態(tài)設(shè)計(jì)提供方便有效的工具。有限單元法除了廣泛應(yīng)用于汽車結(jié) 構(gòu)分析外，還可應(yīng)用于車身內(nèi)的聲學(xué)設(shè)計(jì)、汽車的空氣動力學(xué)計(jì)算、汽車碰撞和被動安全性計(jì)算等。 通過上述可以看到，有限單元法的應(yīng)用范圍極為廣泛，有非常強(qiáng)的實(shí)用性：而且概念淺顯，易于掌握。但它也有不足之處，如對一個特殊問題只能求得一個具體的數(shù)值結(jié)果，而不能求得一般的閉合形式解，后者能讓我們研究分析不同參數(shù)變化時系統(tǒng)的反應(yīng)和影響。又如，為了構(gòu)造一個好的有限元計(jì)算模型需要經(jīng)驗(yàn)和判斷等等。當(dāng)然這些缺點(diǎn)并不影響有限單元法在工程技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時要注愈，有限單元法是一種近似的數(shù)值計(jì)算方法，如果將試驗(yàn)測試與之相結(jié)合，則可 取長補(bǔ)短，較好地解決設(shè)計(jì)問題 【 22】 。 總結(jié)：從國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢中可以看出我國汽車輪轂設(shè)計(jì)中的不足之處。國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)自主研發(fā)能力較弱，具有中國特色的汽車還不夠成熟，如何兼顧外觀造型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決其一體化且具民族特色的車輪產(chǎn)品，是我們當(dāng)前需要去解決的問題。 研究內(nèi)容 研究內(nèi)容 本課題的主要研究內(nèi)容為： 華僑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 緒論 6 （ 1）查閱輪轂的相關(guān)知識，結(jié)合中國元素 繪制 “鳳舞”的 CAD 工程圖； （ 2）運(yùn)用 UG，完成車輪輪轂的幾何模型，建立輪轂?zāi)Ｐ停? （ 3）完成車輪 徑向 疲勞試驗(yàn)仿真和彎曲疲勞試驗(yàn)仿真 ， 研究在徑 向疲勞載荷和彎曲疲勞載荷下的應(yīng)力狀態(tài)及位移量狀態(tài)； （ 4）完成結(jié)果分析； . 課題創(chuàng)新點(diǎn) 本課題在研究中的主要創(chuàng)新點(diǎn)有： （ 1） 采用施加扇形載荷的方法，分析輪轂的受力的變化情況。 （ 2） 徑向疲勞試驗(yàn)仿真時 使用分開建模，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分時，輪輞與輪輻之間的金字塔單元的鏈接 。 （ 3） 彎曲疲勞分析時采用試驗(yàn)軸加載方式對輪轂進(jìn)行分析。 華僑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 理論基礎(chǔ)與軟件介紹 7 第二章 理論基礎(chǔ)與軟件介紹 有限元法原理 有限元法概述 有限元法是為了對某些工程問題求得近似解而發(fā)展出來的一種數(shù)值分析方法，它是 將所要分析連續(xù)場分割為很多較小的區(qū)域（稱為單 元或元素），這些單元的集合體就代表原來的場，然后建立每個單元的有關(guān)特性關(guān)系式，再組合起來就能求得相應(yīng)場問題的解答。這是一種從部分到整體的方法，分析過程大為簡化。從數(shù)學(xué)的角度來說，有限元法是從變分原理或加權(quán)殘數(shù)法出發(fā)，通過區(qū)域部分和分片插值，把數(shù)理方程的邊值問題化為等價的一組多元線性代數(shù)方程的求解 【 26】 。 有限單元法的起源可以追溯到 20 世紀(jì) 40 年代。 1943 年，庫蘭特 ()已經(jīng)開始嘗試 將 一系列三角形區(qū)域上定義的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相結(jié)合，來求解 扭轉(zhuǎn)問題，并且應(yīng)用了“單 元”概念。從數(shù)學(xué)角度提出了有限元法的基本觀點(diǎn)。在 1945 年至 1955 年間，阿吉里斯 (Argyris)等人在結(jié)構(gòu)矩陣分析方面的研究有很大的發(fā)展。在 1956 年，特納 (Tutner)、克拉夫 (Clough)等人把剛架位移法的解題思路，推廣應(yīng)用于彈性力學(xué)平面問題。他們把連續(xù)體劃分成一個個三角形和矩形的單元，單元中位移函數(shù)首先采用了近似表達(dá)式，推導(dǎo)了單元剛度矩陣，建立了單元結(jié)點(diǎn)位移與結(jié)點(diǎn)力之間的單元剛度方程。在 1960 年，克拉夫首次把這種解決彈性力學(xué)問題的方法，給予特定的名詞，稱為“有限單元法”。近二十年來，隨著電子 計(jì)算機(jī)的高速化和普遍化，有限元繼續(xù)的向更加廣闊、更加深入的方面發(fā)展。有限元法、雜交法、動力有限元、非線性有限元、奇異元等，以及各種不同變分原理為基礎(chǔ)的有限單元法相繼而起 【 23】 ~【 26】 。 彈性力學(xué)基本方程 【 27】 ~【 29】 （ 1）、平衡方程 表示某種物理量處于平衡狀態(tài)的方程 ，其方程式為 ： 000xyx xzyx y yzzyzx zXx y zYx y zZx y z???? ? ??? ??? ??? ? ? ??? ? ??? ? ? ??? ? ? ??? ? ??? ?? ?? ? ? ??? ? ??? () 其中 X 、 Y 、 Z 分別是 x 、 y 、 z 方向的體積力。 （ 2）、幾何方程是應(yīng)變分量與位移分量的關(guān)系式，其方程式為： 華僑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 理論基礎(chǔ)與軟件介紹 8 xyzxyyzzxuxvywzvuxywvyzuwzx???????????????? ?????? ?????? ????????? ??? ?????? ??? ??? () 其中 u 、 v 、 w 分別是 x 、 y 、 z 方向的位移函數(shù)。 （ 3）、物理方程： ? ?? ?? ?111111x x y zy y x zz z x yxy xyyz yzzx zxEEEGGG? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ??????????? ? ?? ???? ??? ? ?????? ??? ? ?????? ???? ??????