【文章內(nèi)容簡介】 民、楊占春采用獨立的優(yōu)化程序和有限元程序分別進(jìn)行車輪形狀優(yōu)化設(shè)計和仿真分析。他們在優(yōu)化程序中建立起車輪優(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)計參數(shù)，以輻板弧面長度最小為優(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)力分析計算。通過優(yōu)化前后有限元分析結(jié)果比較，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)受力情況有了明顯的改善。軍事交通學(xué)院的王立輝和唐山學(xué)院的齊鐵力 等人采用商業(yè)軟件 和 為基本工具，在 完成車輪結(jié)構(gòu)強度分析前 在 Design Study模塊中進(jìn)行車輪結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化。他們以輪 輞 和輪輻的厚度為設(shè)計變量，以結(jié)構(gòu)總體質(zhì)量最輕為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明優(yōu)化后結(jié)構(gòu)應(yīng)力接近于材料的強度極限，材料性能得到充分利用，結(jié)構(gòu)重量有所降低。 國外在車輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面有所研究的主要是土耳其的 ， 他研究車輪沖擊試驗工況下結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，他以關(guān)鍵節(jié)點的位移量為設(shè)計變量，通過給定設(shè)計變量的變 5 化范圍及變化步長，分別進(jìn)行計算，觀察結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨設(shè) 計變量變化而變化的情況，利用分析結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計，保證車輪結(jié)構(gòu)的安全性 ]1[ 。 主要研究內(nèi)容 本文主要對車輪造型設(shè)計及其 改進(jìn) 設(shè)計展開論述，并運用有限元法對車輪彎曲疲勞試驗進(jìn)行仿真分析 和車輪的模態(tài)分析 ，研究車輪結(jié)構(gòu)在 螺栓預(yù)緊力、 彎矩 及離心力作用下結(jié)構(gòu)受力情 況 和車輪自由振動和約束振動的固有頻率 ， 具體內(nèi)容如下 : （ 1）用 Pro/e 軟件進(jìn)行車輪三維模型的建立。 （ 2） 對車輪結(jié)構(gòu)彎曲疲勞試驗的進(jìn)行靜力分析，研究試驗工況下車輪結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律及螺栓預(yù)緊力、旋轉(zhuǎn)離心力和試驗彎矩三種 載荷對車輪結(jié)構(gòu)強度的影響。 （ 3）對車輪進(jìn)行模態(tài)分析，分析車輪的固有頻率，研究車輪的是否與發(fā)動機產(chǎn)生共振。 （ 4）改進(jìn)車輪的三維模型，對改進(jìn)后車輪進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，并與改進(jìn)前的車輪模型進(jìn)行對比。 6 第 2 章 車輪 三維模型的建立 Pro/E 軟件 基礎(chǔ) Pro/Engineer 操作 軟件 是美國參數(shù)技術(shù)公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件。 Pro/Engineer 軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位， Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機 CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的 CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域占據(jù)重要位置。 Pro/E第一個提出了 參數(shù)化設(shè)計 的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊化方式 ，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。 Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設(shè)計。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機上。 Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計、鈑金設(shè)計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。 1． 參數(shù)化設(shè)計，相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念 。 2． 基于 特征建模 Pro/E是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計者提供了在設(shè)計上從未有過的簡易和靈活。 3． 單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)） Pro/Engineer 是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。 所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變， NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。這種獨特的 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 與工程設(shè)計的完整的結(jié)合， 7 使得一件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。這一優(yōu)點， 使得設(shè)計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜 ]2[ 。 車輪 Pro/E 模型的建立 車輪構(gòu)造 、種類及裝配 車輪構(gòu)造 車輪與輪胎是汽車行駛系統(tǒng)中的重要部件 ,通過車輪與輪胎直接與地面接觸 ,在道路上行駛。其主要功用是：支撐整車；緩和由路面?zhèn)鱽淼臎_擊力；保證輪胎同路面間良好的附著作用，提高汽車的動力性、制動性和通過性；汽車轉(zhuǎn)彎行駛時產(chǎn)生平衡離心力的側(cè)抗力，在保證汽車正常轉(zhuǎn)向行駛的同時，通過車輪產(chǎn)生的自動回正力矩，使汽車保持直線行駛方向。 車輪 為固定輪胎內(nèi)緣、支承輪胎并與輪胎共同承受整車負(fù)荷的剛性輪子。車輪通常由輪轂、輪輞以及連接這兩元件的輪輻所組成。輪轂通過滾動軸承支承在車橋或轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸上。輪輞也叫輪圈，用來安裝輪胎。輪輻有輻板式和輻條式兩種。其構(gòu)造如圖 和表 所示 。 圖 整體式車輪構(gòu)造 ]3[ 8 表 整體式車輪各部分名稱 ]3[ 1 輪輞寬度 10 螺栓孔節(jié)圓直徑 2 輪輞名義直徑 11 螺栓孔直徑 3 輪緣 12 輪輻安裝面 4 胎圈座 13 安裝面直徑 5 凸峰 14 后距 6 槽底 15 輪輻 7 氣門孔 16 輪輞 8 偏距 17 輪輞中心線 9 中心孔 18 車輪的種類 按 輪輞和輪輻結(jié)合形式的不同，車輪可分為如下結(jié)構(gòu)，其代表型結(jié)構(gòu) 如下 ： （ 1） 整體式：輪輻和輪輞是由一個整體組成的，如圖 所示 。 （ 2） 組合式：由 2 個以上的零件組合而成的車輪，其組成的零件可以分開，按其組合形式可分為三類： ① 兩片式車輪：由輪輞和輪輻結(jié)合起來的結(jié)構(gòu) ，如圖 ； ② 三片式車輪：由兩個輪輞零件和一個輪輻結(jié)合起來的結(jié)構(gòu)，如圖 。 ③ 輻 條式車輪：輪輞與中央輪盤部件，通過很多輻條實現(xiàn)連結(jié)的車輪結(jié)構(gòu)。 圖 整體式 圖 兩片式 9 圖 三片式 車輪的基本裝配知識 車輪的有關(guān)裝配主要有以下的幾種裝配情況 ，如圖 和表 所示 。 圖 車輪裝配關(guān)系 表 車輪裝配關(guān)系 1 車輪輪輞與輪胎之間的裝配 2 車輪與裝飾釘之間的裝配 3 車輪與剎車鉗之間的裝配 4 車輪安裝面與車軸之間的裝配 5 車輪螺栓孔與螺母之間的裝配 6 車輪螺栓孔與車軸之間的裝配 7 車輪與裝飾蓋之間的裝配 8 車輪中心孔 與車軸之間的裝配 9 車輪氣門孔與氣門嘴之間的裝配 10 車輪與平衡塊之間的裝配 車輪三維模型建立 過程 輪輞三維模型的創(chuàng)建 10 輪輞與輪胎結(jié)合部分的尺寸由國標(biāo)（ GB T348720xx）規(guī)定。常見的形式主要有深槽輪輞和平底輪輞，此外，還有對開式輪輞和半深槽輪輞等。 本設(shè)計采用的輪輞輪廓是 5176。深槽輪輞 J 型輪廓。輪輞規(guī)格為 6J15。 輪輞標(biāo)定直徑為 。 其輪廓和尺寸如圖 和表 所示 。 圖 輪輞 J 型輪廓 (用于直徑代號 14~26) ]4[ 表 輪輞 J 型輪廓尺寸 ]4[ 單位為毫米 輪輞輪廓 A nPmi min1P L(量規(guī) ) maxM 3J J213 4J J214 5J J215 6J Pro/e 建模過程如下 ： （ 1） 進(jìn)入 pro/e 草繪，進(jìn)行輪輞輪廓草繪 如圖 所示 。 11 圖 輪輞輪廓草繪 （ 2） 對輪輞輪廓進(jìn)行完善草繪 如圖 所示 。 圖 完善輪輞輪廓草繪 （ 3） 運用旋轉(zhuǎn)命令，建立輪輞三維模型 如圖 所示 。 12 圖 用旋轉(zhuǎn)建立輪輞三維模型 輪輻三維模型的創(chuàng)建 輪輻的造型 要兼顧與輪輞的配合，裝車空間，強度，美觀等。本設(shè)計采用 Pro/E掃描混合建立輪輻的模型。 （ 1） 草繪掃描軌跡 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 。 13 圖 草繪截面 a 圖 草繪截面 b （ 3） 完全掃描混合，建立輪 輻模型 如圖 所示 。 14 圖 完成掃描混合 （ 4） 選取陣列，建立其他輪輻模型 如圖 所示 。 圖 用陣列建立其他輪輻模型 15 （ 5） 對輪輻進(jìn)行修飾，建立安裝盤，螺栓孔，氣門嘴等 ，完成車輪模型建立 如圖 所示 。 圖 完成車輪模型建立 本章小結(jié) 本章 研究 了 Pro/E 軟件的組成及功能和 車輪 結(jié)構(gòu)、種類及裝配。 按照 輪輞的 國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 3487—20xx， 根據(jù)本設(shè)計中車輪的具體型號、 參數(shù) ，運用 Pro/e 進(jìn)行車輪三維模型的建立 。闡述了使用 Pro/E軟件進(jìn)行車輪造型設(shè) 計的 具體 流程。 16 第 3 章 車輪強度靜態(tài)分析 ANSYS 軟件 基礎(chǔ) ANSYS 軟件 是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用 有限元分析軟件 。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的 美國 ANSYS 開發(fā)，它能與多數(shù)CAD 軟件接口 ，實現(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)計中的高級 CAE工具之一。 CAE的技術(shù)種類有很多，其中包括 有限元法 (FEM,即 Finite Element Method),邊界元法 (BEM,即 Boundary Element Method)，有限差法 (FDM,即 Finite Difference Element Method)等。每一種方法各有其應(yīng)用的領(lǐng)域，而其中有限元法應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣，現(xiàn)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)等。 ANSYS 有限元 軟件 包是一個多用途的有限元法計算機設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、 微機電系統(tǒng) 、運動器械等。 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個強大的實體建模及 網(wǎng)格 劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型 。 分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力 。 后處理模塊可將計算結(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，也可將計算結(jié)果以圖表、 曲線 形式顯示或輸出。 軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設(shè)備上，如 PC， SGI，HP， SUN， DEC， IBM， CRAY 等 ]5[ 。 17 Pro/E 與 ANSYS 的接口創(chuàng)建 通過對 Pro/e 與 ANSYS 接口的創(chuàng)建可以很好的將 Pro/e 軟件與 ANSYS 軟件連接起來，避免了用其他方式將 Pro/e 模型導(dǎo)入 ANSYS 中是出現(xiàn)的一系列問題。點擊開始 所 有 程序 UtilitesCAD configuration Manager 如圖 所示， 在跳出的對話框中 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。 點擊 NEXT在出現(xiàn)的對話框中輸入 pro/e的安裝目錄和 pro/e 的啟 動文件 ，如圖 所示 。點擊 NEXT，在 出現(xiàn)的對話框中，點擊 Display Configuration Log File然后再點擊 Configure Selected CAD 所示，完成設(shè)置。 圖 CAD Configuration Manager 圖 CAD Selection 圖 Pro/Engineer 設(shè)置窗口 18 圖 CAD Configuration 打開 Pro/e 軟件， 在其主頁面 菜單欄 中會顯示 ANSYS 。 表示接口創(chuàng)建 成功。 車輪幾何模型的簡化 為了節(jié)省仿真計算時間和計算量， 將車