【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 民、楊占春采用獨(dú)立的優(yōu)化程序和有限元程序分別進(jìn)行車(chē)輪形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真分析。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。通過(guò)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(chē)輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析前 在 Design Study模塊中進(jìn)行車(chē)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(jì)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(qiáng)度極限，材料性能得到充分利用，結(jié)構(gòu)重量有所降低。 國(guó)外在車(chē)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(chē)輪沖擊試驗(yàn)工況下結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，他以關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移量為設(shè)計(jì)變量，通過(guò)給定設(shè)計(jì)變量的變 5 化范圍及變化步長(zhǎng)，分別進(jìn)行計(jì)算，觀察結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨設(shè) 計(jì)變量變化而變化的情況，利用分析結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)，保證車(chē)輪結(jié)構(gòu)的安全性 ]1[ 。 主要研究?jī)?nèi)容 本文主要對(duì)車(chē)輪造型設(shè)計(jì)及其 改進(jìn) 設(shè)計(jì)展開(kāi)論述，并運(yùn)用有限元法對(duì)車(chē)輪彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析 和車(chē)輪的模態(tài)分析 ，研究車(chē)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(chē)輪自由振動(dòng)和約束振動(dòng)的固有頻率 ， 具體內(nèi)容如下 : （ 1）用 Pro/e 軟件進(jìn)行車(chē)輪三維模型的建立。 （ 2） 對(duì)車(chē)輪結(jié)構(gòu)彎曲疲勞試驗(yàn)的進(jìn)行靜力分析，研究試驗(yàn)工況下車(chē)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(yàn)彎矩三種 載荷對(duì)車(chē)輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。 （ 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。 （ 4）改進(jìn)車(chē)輪的三維模型，對(duì)改進(jìn)后車(chē)輪進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，并與改進(jìn)前的車(chē)輪模型進(jìn)行對(duì)比。 6 第 2 章 車(chē)輪 三維模型的建立 Pro/E 軟件 基礎(chǔ) Pro/Engineer 操作 軟件 是美國(guó)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(jī) 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(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。 Pro/E第一個(gè)提出了 參數(shù)化設(shè)計(jì) 的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決特征的相關(guān)性問(wèn)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(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。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。 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(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、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(jì)，相對(duì)于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無(wú)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(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)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(huà)草圖，輕易改變模型。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。 3． 單一數(shù)據(jù)庫(kù)（全相關(guān)） Pro/Engineer 是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫(kù)上，不像一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上。 所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中的資料全部來(lái)自一個(gè)庫(kù)，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門(mén)的。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)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(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。這種獨(dú)特的 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合， 7 使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)。這一優(yōu)點(diǎn)， 使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，價(jià)格也更便宜 ]2[ 。 車(chē)輪 Pro/E 模型的建立 車(chē)輪構(gòu)造 、種類(lèi)及裝配 車(chē)輪構(gòu)造 車(chē)輪與輪胎是汽車(chē)行駛系統(tǒng)中的重要部件 ,通過(guò)車(chē)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(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。 車(chē)輪 為固定輪胎內(nèi)緣、支承輪胎并與輪胎共同承受整車(chē)負(fù)荷的剛性輪子。車(chē)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(guò)滾動(dòng)軸承支承在車(chē)橋或轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸上。輪輞也叫輪圈，用來(lái)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(chē)輪構(gòu)造 ]3[ 8 表 整體式車(chē)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(mén)孔 16 輪輞 8 偏距 17 輪輞中心線 9 中心孔 18 車(chē)輪的種類(lèi) 按 輪輞和輪輻結(jié)合形式的不同，車(chē)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(gè)整體組成的，如圖 所示 。 （ 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 。 ③ 輻 條式車(chē)輪：輪輞與中央輪盤(pán)部件，通過(guò)很多輻條實(shí)現(xiàn)連結(jié)的車(chē)輪結(jié)構(gòu)。 圖 整體式 圖 兩片式 9 圖 三片式 車(chē)輪的基本裝配知識(shí) 車(chē)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(chē)輪裝配關(guān)系 表 車(chē)輪裝配關(guān)系 1 車(chē)輪輪輞與輪胎之間的裝配 2 車(chē)輪與裝飾釘之間的裝配 3 車(chē)輪與剎車(chē)鉗之間的裝配 4 車(chē)輪安裝面與車(chē)軸之間的裝配 5 車(chē)輪螺栓孔與螺母之間的裝配 6 車(chē)輪螺栓孔與車(chē)軸之間的裝配 7 車(chē)輪與裝飾蓋之間的裝配 8 車(chē)輪中心孔 與車(chē)軸之間的裝配 9 車(chē)輪氣門(mén)孔與氣門(mén)嘴之間的裝配 10 車(chē)輪與平衡塊之間的裝配 車(chē)輪三維模型建立 過(guò)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(guó)標(biāo)（ GB T348720xx）規(guī)定。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。 本設(shè)計(jì)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(hào) 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(guò)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(duì)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(yùn)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(chē)空間，強(qiáng)度，美觀等。本設(shè)計(jì)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(duì)輪輻進(jìn)行修飾，建立安裝盤(pán)，螺栓孔，氣門(mén)嘴等 ，完成車(chē)輪模型建立 如圖 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。 按照 輪輞的 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 3487—20xx， 根據(jù)本設(shè)計(jì)中車(chē)輪的具體型號(hào)、 參數(shù) ，運(yùn)用 Pro/e 進(jìn)行車(chē)輪三維模型的建立 。闡述了使用 Pro/E軟件進(jìn)行車(chē)輪造型設(shè) 計(jì)的 具體 流程。 16 第 3 章 車(chē)輪強(qiáng)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(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)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(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。 CAE的技術(shù)種類(lèi)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(lái)越廣，現(xiàn)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)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(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。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。 軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)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(jì)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(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)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(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。 軟件提供了 100 種以上的單元類(lèi)型，用來(lái)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(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)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(guò)對(duì) 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(lái)，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(wèn)題。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。 點(diǎn)擊 NEXT在出現(xiàn)的對(duì)話框中輸入 pro/e的安裝目錄和 pro/e 的啟 動(dòng)文件 ，如圖 所示 。點(diǎn)擊 NEXT，在 出現(xiàn)的對(duì)話框中，點(diǎn)擊 Display Configuration Log File然后再點(diǎn)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(kāi) Pro/e 軟件， 在其主頁(yè)面 菜單欄 中會(huì)顯示 ANSYS 。 表示接口創(chuàng)建 成功。 車(chē)輪幾何模型的簡(jiǎn)化 為了節(jié)省仿真計(jì)算時(shí)間和計(jì)算量， 將車(chē)