【導(dǎo)讀】逐漸被應(yīng)用到車輪的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)上來(lái)。載、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等作用。近年來(lái)，隨著車速的提高，輪轂的性能成為直接。和輪胎”組件的失效所造成的，其中輪轂緊固件又占了很大的比額。于輪轂的部分是如此之大，因此就有必要對(duì)輪轂的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行研究。期設(shè)計(jì)出造型與結(jié)構(gòu)一體化的具有中國(guó)特色的汽車輪轂。，確定合適的載荷及邊界條件。究，為設(shè)計(jì)出具有中國(guó)特色的輪轂并檢驗(yàn)其性能提供了依據(jù)。

　　

【正文】 立 UG 提供了強(qiáng)大的三維實(shí)體建模功能，可以利用參數(shù)建模和特征建模方式建立輪轂?zāi)Ｐ停狙芯坎捎锰卣鹘７绞浇?。本研究所設(shè)計(jì)輪轂為一軸對(duì)稱 結(jié)構(gòu)，以 X 軸為旋轉(zhuǎn)軸， 在建模時(shí)首先利用旋轉(zhuǎn)體功能生成輪轂主體部分。然后，在主體模型上修剪出輻板之間的空腔，添加螺栓孔、倒圓角等細(xì)節(jié)特征 【 36】 。 輪轂主體部分的 二維 圖如圖 所示。其中， 輪輞為 5 度深槽 J 型正向輪輞，輪輞部分的輪廓形狀尺寸按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的輪輞尺寸繪制。 華僑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 鳳舞汽車輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 圖 輪轂二維圖 從圖中可以看出，所設(shè)計(jì)的輪輞部分的厚度為 。中心孔直徑取為67mm，偏位值取為 +45mm。輪輻部分的外表面為弧形，為了減小應(yīng)力集中，在輪輻與 輪輞 相交的部位設(shè)置有較大的圓角過(guò)渡區(qū)域。在所設(shè)計(jì)的汽車輪轂主體部分基礎(chǔ)上，創(chuàng)建曲面，利用修剪體功能修剪出鳳舞輪轂的效果曲面。最后在輪轂的安裝面上創(chuàng)建 3 個(gè)螺栓孔，螺栓孔的節(jié)圓直徑為 106mm，螺栓孔直徑為 15mm。鳳舞鋁合金汽車輪轂的三維實(shí)體造型如圖 所示。 圖 鳳舞汽車輪轂的三維實(shí)體造型 華僑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 鳳舞汽車輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 本章小結(jié) 本章先是介紹了“鳳舞”鋁合金輪轂 CAD 圖的設(shè)計(jì)過(guò)程。本研究所設(shè)計(jì)的汽車輪轂 規(guī)格 為 16?7 英寸。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定整體造型為一體式，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，選擇輪輞型號(hào) 。然 后確定輪轂上各個(gè)裝配尺寸，最后確定輪輻的形狀，設(shè)計(jì)出一個(gè)運(yùn)動(dòng)感較強(qiáng)，外形融合了中國(guó)元素的“鳳舞”汽車輪轂。然后利用 UG NX 進(jìn)行汽車輪轂的三維模型設(shè)計(jì)。 華僑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 鳳舞汽車輪轂的徑向疲勞分析 18 第四章 鳳舞汽車輪轂的徑向疲勞分析 輪轂是車輛行駛系的主要部件之一，是汽車與地面之間的傳力元件，起著承載、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等作用。特別是近年來(lái)，隨著車速的提高，輪轂的性能成為直接影響汽車制動(dòng)安全性、操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等重要指標(biāo)的關(guān)鍵因素．美國(guó)一份關(guān)于卡車事故的研究報(bào)告指出：在 1588 起事故中，有 33 .5％是“車輪、軸承和輪胎” 組件的失效所造成的，其中輪轂緊固件又占了很大的比額。事故原因歸于輪轂的部分是如此之大，因此就有必要對(duì)輪轂的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行研究 。 輪轂的強(qiáng)度和剛度與乘車人的安全和車輛的性能息息相關(guān)。一方面，如果輪轂的剛度不夠，在行駛時(shí)遇到?jīng)_擊載荷就會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，輪轂是一個(gè)動(dòng)平衡的部件，局部的塑性變形會(huì)破壞輪轂原有的的性能從而影響到整車的平順性，動(dòng)不平衡的輪轂會(huì)破壞乘坐的舒適性，還會(huì)帶來(lái)沖擊載荷使零部件遭到破壞，高速行駛的汽車遇到這種情況必將車毀人亡，后果是慘痛的。另一方面，輪轂的強(qiáng)度和剛度如果過(guò)大，這必然會(huì)增加輪轂的 質(zhì)量，增大輪輻和 輪輞 的厚度。輪轂是旋轉(zhuǎn)工作的部件，輪轂質(zhì) 量 的增加給整車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量帶來(lái)的影響比其他任何部分質(zhì)量增加所帶來(lái)的影響都嚴(yán)重，它會(huì)使整車的平順性變壞，油耗增加，加速性能變差 【 11】 。因此，我們的研究目的就是使輪轂在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下，盡量減少質(zhì)量，使整車具有更好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和平順性 。 輪轂是一個(gè)承受隨機(jī)疲勞載荷的旋轉(zhuǎn)薄殼結(jié)構(gòu)，上面開(kāi)有孔洞，沖有筋條，形狀復(fù)雜：同時(shí)，汽車在行駛中所受到的各種載荷向輪轂的傳遞也十分復(fù)雜；此外，它還受充氣、聯(lián)接螺栓擰緊力矩以及過(guò)盈配合等所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的作用．因此，輪轂受力復(fù)雜，斷面上應(yīng)力分布變化梯度大。輪轂的幾何形狀和力學(xué)特征的復(fù)雜性給研究工作帶來(lái)很大的困難，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的解析數(shù)學(xué)或力學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行描述。 汽車輪轂是汽車上重要的安全部件，它的強(qiáng)度剛度等力學(xué)性能和疲勞性能的優(yōu)劣極大地影響著汽車行駛的安全性。對(duì)汽車輪轂進(jìn)行有限元分析，可以提前確定強(qiáng)度和預(yù)測(cè)疲勞壽命，有助于減少試驗(yàn)次數(shù)和降低成本。汽車上使用的輪轂存在兩種工作狀態(tài)，一是在汽車停駛時(shí)受到靜載荷的作用，另一種是汽車行駛時(shí)受到動(dòng)態(tài)循環(huán)載荷的作用。本研究針對(duì)鋁合金汽車輪轂的實(shí)際使用狀況及課題研究的實(shí)際情況，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。 UG 靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析 本研究使用 UG NX 。 UG NX 的高級(jí)仿真模塊可以進(jìn)行有限元建模、求解和結(jié)果可視化處理，擁有豐富的前處理和后處理工具，功能強(qiáng)大。 UG NX 提供了進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)仿真時(shí)所需要的所有結(jié)構(gòu)分析和熱分析應(yīng)用，不僅可以進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、屈曲分析、耐久性分析、模態(tài)分析以及熱分析等多種有限元分析，預(yù)測(cè)模型的力學(xué)性能和疲勞特性，華僑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 鳳舞汽車輪轂的徑向疲勞分析 19 還可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使所設(shè)計(jì) 模型在利用較少資源的情況下，滿足設(shè)計(jì)要求。 利用 UG NX 進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先在建模和裝配模塊里建立模型，然后利用高級(jí)仿真模塊生成理想化模型文件、有限元模型文件和仿真文件。理性化模型文件是對(duì)主模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，去掉在有限元分析中可以忽略的小幾何特征。對(duì)理想化模型文件的修改不會(huì)產(chǎn)生對(duì)主模型的修改，理想化模型文件只是主模型的一個(gè)相關(guān)復(fù)制。有限元模型文件是基于理想化模型文件而產(chǎn)生的，在有限元模型文件中可以對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義材料參數(shù)和物理特性。仿真文件是基于有限元模型文件而建立的，可以對(duì)模型施加邊 界條件，包括載荷邊界條件和約束邊界條件。此外，還可以對(duì)分析進(jìn)行解算設(shè)置，校核前處理的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置是否合理，然后進(jìn)行求解。 利用 UG NX 進(jìn)行有限元分析的主要過(guò)程如圖所示 圖 UG NX 分析流程圖 由于本研究所設(shè)計(jì)的鋁合金汽車輪轂?zāi)Ｐ褪抢?UG NX 建立，所以利用UG 高級(jí)仿真直接進(jìn)行有限元分析有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）建模模塊與高級(jí)仿真模塊進(jìn)行了無(wú)縫集成，可以直接生成有限元模型，避免了因數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換帶來(lái)的錯(cuò)誤。 （ 2）分析模型與主模型相關(guān)聯(lián)，當(dāng)主模型的幾何特征改變時(shí)有限元模型也相應(yīng)地發(fā)生改變。 因此，本研究綜合考慮，利用 UG NX 的高級(jí)仿真模塊對(duì)鋁合金汽車輪轂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞特性進(jìn)行有限元分析。 車輪徑向疲勞試驗(yàn) 車輪徑向疲勞試驗(yàn)簡(jiǎn)介 車輪徑向疲勞試驗(yàn)是給車輪施加一個(gè)徑向壓力然后由試驗(yàn)轉(zhuǎn)鼓帶動(dòng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，用以模擬車輪在運(yùn)行過(guò)程中承受車輛垂直負(fù)荷的工況。車輪徑向疲勞試驗(yàn)標(biāo)華僑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 鳳舞汽車輪轂的徑向疲勞分析 20 準(zhǔn)要求車輪在試驗(yàn)載荷下經(jīng)歷規(guī)定的疲勞循環(huán)次數(shù)后，不能有侵入車輪斷面的可見(jiàn)裂紋等破壞現(xiàn)象出現(xiàn)，車輪應(yīng)能夠繼續(xù)承受汽車負(fù)荷并且保持規(guī)定的氣壓。 試驗(yàn)時(shí)，給車輪安裝上輪胎，輪胎額定載荷至少應(yīng)等 于車輪的標(biāo)注值。車輪在試驗(yàn)裝置 (見(jiàn)圖 )上安裝的方法與車輪在車輛上的安裝方法相同，圖 所示為車輪徑向疲勞試驗(yàn)原理圖。在施加徑向載荷的同時(shí)，要使轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)前的輪胎氣壓 (單位 :)至少應(yīng)相當(dāng)于被試驗(yàn)輪胎的最大設(shè)計(jì)載荷氣壓。 圖 車輪徑向疲勞試驗(yàn) 圖 車輪徑向疲勞試驗(yàn)原理圖 車輪徑向載荷計(jì)算 國(guó)標(biāo) GB/T53342020 規(guī)定 乘用汽車車輪徑向載荷用牛頓（ N）計(jì)量，由下式確定： KFF vr ?? （ ） 式中： rF —— 徑向載荷， N； vF—— 車輪額定負(fù)荷即車輪或汽車制造廠規(guī)定的車輪上的最大垂直靜負(fù)載荷， N； 華僑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 鳳舞汽車輪轂的徑向疲勞分析 21 K —— 強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)系數(shù)。 鳳舞汽車 輪轂徑向疲勞仿真過(guò)程 【 37】 (l)創(chuàng)建有限元分析模型，選擇求解器為 NX Nastran，分析類型為結(jié)構(gòu)分析 (2)創(chuàng)建理想化部件文件。為了減少分析時(shí)間，提高分析效率，分析中可以忽略較小的細(xì)節(jié)特征。因此，移除半徑小于 5mm 的倒圓角。對(duì)輪輞上胎圈座表面部分進(jìn)行面分割，以利于模型的載荷加載。 (3)創(chuàng)建有限元模型文件，對(duì)模型進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分 。 (4)施加載荷和約束，并進(jìn)行求解。 (5)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。 材料參數(shù) 本研究所采用材料為鋁合金 A356，其材料參數(shù) 見(jiàn) 表 。 表 鋁合金 A356 材料參數(shù) 密度 ρ）（ 3cm/g 楊氏模量E(MPa） 泊松比 屈 服 強(qiáng) 度s? (MPa） 極限抗拉強(qiáng)b? (MPa） 4107? 229 263 疲勞極限 1?? 的計(jì)算公式如下 b1 ~ ?? ??? ）（ （ ） 則 1?? =（ ~） MPa， 取 ??1? 120MPa 網(wǎng)格 劃分 網(wǎng)格劃分是創(chuàng)建有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接影響有限元分析的計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模。影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量的因素主要有網(wǎng)格疏密，單元類型，網(wǎng)格數(shù)量等。 網(wǎng)格疏密是指模型結(jié)構(gòu)中不同部位的網(wǎng)格大小不同，劃分原則為 :在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位，將網(wǎng)格劃分地較密集些 。在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位，將網(wǎng)格劃分地相對(duì)稀疏些。這樣既可以提高計(jì)算精度又可以減小計(jì)算規(guī)模，提高計(jì)算效率。對(duì)所設(shè)計(jì)的汽車輪轂進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，在應(yīng)力集中處 (截面形狀變化較大的部位 )網(wǎng)格單元小，相對(duì)密集。 在三維空間中，常用的網(wǎng)格單元類型有四面體、 六面體、曲邊四面體和曲邊六面體等。不同類型的網(wǎng)格單元的階次不同，四節(jié)點(diǎn)四面體和八節(jié)點(diǎn)六面體是一階單元，曲邊四面體和曲邊六面體單元為高階單元 (單元階次為二次或三次 )。由于高階單元的曲線或曲面邊界能夠很好地逼近模型結(jié)構(gòu)的曲線和曲面邊界，并且高次插值函數(shù)能夠更好地逼近各種復(fù)雜的場(chǎng)函數(shù)。因此，當(dāng)模型結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，華僑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 鳳舞汽車輪轂的徑向疲勞分析 22 應(yīng)力分布較為復(fù)雜時(shí)，應(yīng)該選擇高階單元類型。由于所設(shè)一計(jì)的鋁合金汽車輪輞的結(jié)構(gòu)不均勻，模型中不同區(qū)域的厚度不一樣，且存在較多曲面，不適宜用一階單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 在本仿真中 輪轂采用分開(kāi)建模，為了使輪輞與輪輻之 間的連接單元的網(wǎng)格形成金字塔結(jié)構(gòu)，因此輪輞與輪輻要采用不同的網(wǎng)格劃分方式，本文輪輞采用 3D 掃掠網(wǎng)格劃分方式，這樣能夠方便徑向載荷的加載。輪幅采用十節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格劃分方式 ， 輪輞與輪輻之間 以 金字塔單元過(guò)渡。 利用 UG 對(duì)所設(shè)計(jì)的鳳舞鋁合金汽車輪轂?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行網(wǎng)格劃分后： 部件中的單元總數(shù)： 21075 部件中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)： 81873 八節(jié)點(diǎn)四邊形單元數(shù)： 167 六節(jié)點(diǎn)三角形單元數(shù)： 15 十節(jié)點(diǎn)四面體單元數(shù)： 6997 二十節(jié)點(diǎn)六面體單元 數(shù)： 12024 十五節(jié)點(diǎn)楔形體單元數(shù)： 1080 十三節(jié)點(diǎn)金字塔單元的數(shù)目： 792 模型的網(wǎng)格如圖 所示。 圖 鳳舞汽車輪轂有限元模型圖 載荷和約束 【 38】 車輪在汽車靜止時(shí)起到支撐作用，假定汽車滿載時(shí)的總質(zhì)量為 2500Kg，則在汽車靜止時(shí)每一個(gè)車輪受到的承載力 F=6250N。支撐力通過(guò)輪胎傳遞給輪轂，華僑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 鳳舞汽車輪轂的徑向疲勞分析 23 輪轂受到的支撐力分布在輪輞上胎圈座部分。輪胎施加在輪轂上胎圈座部分的支撐力分布情況比較復(fù)雜，主要分布在輪轂的下部靠近地面的部分。本研究中輪轂受到的支撐力分布 區(qū)域取在輪轂胎圈座下部弧度為 2π /3 的弧面上。徑向載荷疲勞試驗(yàn)的有限元分析模型中必須考慮充氣壓力的影響，因此，本文接下來(lái)的分析中在考慮徑向載荷作用的同時(shí)，將考慮充氣壓力的作用。根據(jù)車輪徑向載荷疲勞試驗(yàn)的工作原理，對(duì)車輪結(jié)構(gòu)在安裝盤面和螺栓孔錐面施加全約束，在一定范圍(120176。角 )內(nèi)的輪輞胎圈座上施加呈余弦函數(shù)分布的徑向載荷，并在胎圈座間輪輞上施加充氣壓力 。實(shí)際裝車和試驗(yàn)時(shí)都是取其 3 個(gè) PCD 螺栓孔 進(jìn)行固定，所以約束也僅施加在其 3 個(gè) PCD 孔的錐面和安裝盤面上，全約束這些面的6 個(gè)自由度。其中徑向載荷 加載函數(shù)計(jì)算公式如下： 101 1 0 c o s c o s )2 2 s i nFq br ?????（ （ ） 202 2 0 c o s c o s )2 2 s i nFq br ?????（ （ ） 其中， F 為試驗(yàn)要求徑向載荷， 1b ， 2b 分別為內(nèi)、外輪輞胎圈座寬度， 1r 、2r 分別為內(nèi)、外輪