【正文】 完全理解這個過程一定要通過車輪制造才能獲得 ,剪切力和法向力無疑是模擬磨損過程的關(guān)鍵 。 這比不把摩擦計算在內(nèi)的法向力分布計算要更精確，而且這時候分配到每一個點上剪切力等于摩擦系數(shù)乘以法向力 。 輪胎干濕狀態(tài)的附著摩擦力同時受到輪胎凹紋的影響 。這振動 會引起聽得見的噪聲，胎面凸出花紋的 形狀 和大小是決定它的 頻率和 功率 水上海工程技術(shù)大學畢業(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 58 平 的眾多原因之一 。反過來 , 胎面花紋 充當在 測定 輪胎的側(cè)向力參量的一個重大角色。當各種各樣的 胎面花紋 被塑造在 簾布上 , 在輪胎與路面接觸時受到胎面花紋變化影響而改變的力可以被觀察到。 為了進一步測定 輪胎的 工作 特性譬如 操縱 , 噪聲 ， 乘駕 ， 干濕的牽引和 磨損 。感謝上海工程技術(shù)大學汽車工程學院，感謝畢業(yè)設(shè)計期間同學們 ，特別是唐煜成和韓奇 對我的關(guān)心和支持，他們的分享和幫助使我順利完成了大學學業(yè)。利用 CATIA 的軟件平臺可以完成鋁合金車輪的性能分析和 模態(tài)分析 的研究工作，雖然研究的內(nèi)容偏于膚淺，但是完全能在車輪定型生產(chǎn)之前使設(shè)計人員對車輪的整體性能有比較清晰的了解，這將大大縮短車輪的設(shè)計周期，提高設(shè)計效率。 4） 利用有限元法對汽車零部件進行分析，設(shè)計者在設(shè)計過程中就可以準確地了解零部件性能，可以隨時對其進行修改，大大提高了設(shè)計效 率。 3) 本次計算得到完整的頻率和振型 ,但其合理性有待通過試驗模態(tài)分析予以驗證。 圖 第一階段振型 圖 第二階段振型 圖 第三階段振型 圖 第四階段振型 圖 第五階段振型 圖 第六階段振型 設(shè)計方案四車輪的十 個振型所處的頻率見表 所示。 上海工程技術(shù)大學畢業(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 44 圖 第一階段振型 圖 第二階段振型 圖 第三階段振型 圖 第四階段振型 圖 第五階段振型 圖 第六階段振型 設(shè)計方案二的十個階段振型所處的頻率如表 。 用 CATIA軟件 進行自由模態(tài)計算 ， 并與剛性車輪模態(tài)進行比較 [2]。求解式 即可得出自由振動的固有頻率和振型 [3]。 模態(tài)分析的理論基礎(chǔ) 模態(tài)分析用以確定結(jié)構(gòu)的振動特性 (即固有頻率和振型 )， 是進行動力學分析的基礎(chǔ)。關(guān)于非線性模態(tài)的正交性、解耦性、穩(wěn)定性、模態(tài)的分叉、滲透等問題是當前研究的重點。模態(tài)分析當前的一個重要發(fā)展趨勢是由線性向非線性問題方向發(fā)展。 模態(tài)分析技術(shù)發(fā)展到今天已趨成熟，特別是線性模態(tài)理論方面的研究已日臻完善，但在工程應用方面還有不少工作可做。 可以 用試驗模態(tài)分析的結(jié)果 來 修正有限元分析的結(jié)果： 1） 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的修正，可用優(yōu)化方法進行。 2） 利用試驗結(jié)果對有限元分析模型進行修改，以達到行業(yè)標準或國家標準要求。 換言之 ， ODS 表現(xiàn)出了真正的運動變形情況 ，但它是由約束模態(tài)的哪幾階組合 ， 需要通過約束模態(tài)加以判斷 ， 從而獲得各階貢獻量 ， 并加以判斷 和 改進 。 自由模態(tài)通?？紤]的是結(jié)構(gòu)本身的一些特性 ， 這些特性是很容易表現(xiàn)出來的 ； 在約束作用下 ， 有些模態(tài)將不能反映出來或者被改變了 (引入了新的模態(tài)轉(zhuǎn)換坐標 )， 因此 ， 自由模態(tài)通過轉(zhuǎn)換 、 縮減后可以獲得約束模態(tài) ， 同時也說明約束對模態(tài)起重要作用 ， 如增加約束將提高模態(tài)頻率 ， 事實上也就是改變了約束程度 ， 增加了聯(lián)結(jié)剛度 。 通過這些方法為老產(chǎn)品的改進和新產(chǎn)品的設(shè)計提供可靠的指導。上述分析也實際情況基本相符，這說明模型的建立比較合理。 2） 從應力分布圖還可以看出 ，四 種車輪輪輻高應力區(qū)都是集中在通風孔與通風孔之間及通風孔與螺栓孔之間 ， 而實際情況輪輻主要就是在這些部位容易出現(xiàn)開裂 ， 這說明有限元模型與實際情況非常接近 ， 模型及邊界條件的建立也比較合理 。 沿車輪軸向逆時針旋轉(zhuǎn) 沿車輪軸向逆時針旋 轉(zhuǎn) 90186。 上海工程技術(shù)大學畢業(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 34 表 設(shè)計方案三車輪分析結(jié)果 氣門孔位置 輪輻螺栓孔處最大應力值 MPa 輪輻通風孔處最大應力值 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) 180186。 根據(jù)輪輻的通風孔 、 氣門孔和螺栓孔在汽車行駛時相對于地面的位置及載荷的影響 ， 對于輪輻有 六 種不同的情況 ， 在確定分析方案時因輪輻結(jié)構(gòu)的對稱性只需分析幾種典型的方案 。 由 得出的力臂長度可以 確定載荷作用點的位置 。 SFdRM ??? )(? ? ?????????????????????? () 式中： R —— 為靜負荷半徑。 同時只分析車輪在旋轉(zhuǎn)時某一瞬間的應力分布情況 。四 種車輪劃分網(wǎng)格的節(jié)點數(shù)和單元數(shù)見表 。 根據(jù)車輪模型的特點 ， 采用四面體單元 ， 將輪輻模型單元長度定義為， 采用自由網(wǎng)格和人工技術(shù)相結(jié)合 ， 通過已經(jīng)建立好的幾何模型劃分網(wǎng)格 。 楊氏系數(shù) （ 即彈性模量 ）10107??E Pa， 泊松比 ? =。 實體建模 在確定了鋁合金車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)以后，就利用 CATIA 的實體建模子模塊對鋁合金車輪進行實體建模。 CATIA 不但能夠保證企業(yè)內(nèi)部設(shè)計部門之間的協(xié)同設(shè)計功能而且還可以提供企業(yè)整個集成的設(shè)計流程和端對端的解決方案。 4)將計算結(jié)構(gòu)進行整理歸納并得出相應的結(jié)論。一些重要的力學原理如疊加原理、圣維南原理、解 的唯一性原理等可作為簡化的理論依據(jù) ,同時還可以充分利用結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性、反對稱性、重復性和相似性。一般情況下結(jié)構(gòu)都是一個空間物體 ,屬于三維問題 ,但在某些情況下可以降維簡化。通常 ,應力應變分析是有限元法求解的基本目的。主要步驟包括 :創(chuàng)建有限元模型 。 有限元分析的優(yōu)點 隨著計算機的 飛 速發(fā)展，有限元法在工程中得到了廣泛應用。另外一個突出優(yōu)點是概念淺顯，容易掌握。 有限元法除了廣泛應用于機械與汽車結(jié)構(gòu)分析中外，還可以應用丁車身內(nèi)的聲學設(shè)計，通過車身內(nèi)聲模態(tài) 和 整機結(jié) 構(gòu)模態(tài)的 耦 合，評價乘員感受的噪音并進行噪音控制。上述的有限元法三大應用領(lǐng)域也包含了機械與汽車結(jié)構(gòu)分析的主要應用范圍。一輛好車的主要特點是造型美觀、有時代感、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、輕量化、材料利用率高，車輛性能先進并且 滿足國家法規(guī)、標準和環(huán)保的要求，質(zhì)量可靠、保養(yǎng)方便、低成本、用戶滿意、滿足市場需求等。 2） 模態(tài)分析和穩(wěn)定性分析 ， 它是平衡問題的推廣。 有限元在工程技術(shù)與汽車中的應用 有限元是一種數(shù)值方法，是解決工程實際問題的一種有力的工具。 最后，把所有單元的這種特性關(guān)系，按照保證節(jié)點位移連續(xù)和節(jié)點應力平衡的方式集合起來，就可以得到整個物體的平衡方程組。切點的位移分量作為結(jié)構(gòu)的基本未知量。到了二十世紀 六十 年代以后 ，隨著電子計算機軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，制約有限單元法發(fā)展的條件消失了，從而導致了有限單 元法的飛速發(fā)展 [6,7]。而靠近安裝盤部位的輪輻厚度，設(shè)計時可先考慮在 25mm 到 32mm 之間波動。 上海工程技術(shù)大學畢業(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 21 圖 輪輞正面輪緣結(jié)構(gòu) 表 輪輞正面輪緣結(jié)構(gòu) 尺寸 輪輞標準 輪緣厚度 P1（ mm） 胎圈座寬度P2(mm) 輪緣圓角R1(mm) 輪緣圓角R2(mm) TRA標準 12 ～ 2 60 圖 輪輞反面輪緣結(jié)構(gòu) 表 輪輞反面輪緣結(jié)構(gòu) 尺寸 輪輞標準 輪緣寬度P1（ mm） 輪緣寬度P2(mm) 輪緣厚度H(mm) 輪緣圓角R1(mm) 輪緣圓角R2(mm) 輪緣圓角R3(mm) TRA標準 12 3 一般輪輻設(shè)計的順序是先根據(jù)車輪的外觀設(shè)計出輪輻正面的輪廓線，再設(shè)計輪輻背面的輪廓線，然后根據(jù)裝車空間的需要進行調(diào)整兩條線的位 上海工程技術(shù)大學畢業(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 22 置，確定車輪剖截面的設(shè)計。 圖 輪輞扁平凸峰輪廓尺寸和形狀 表 輪輞扁平凸峰輪廓尺寸 輪輞 標準 輪緣高度 H1 凸峰高度H2 胎座寬度 P1 平峰寬度 P2 輪緣圓角 R2 胎座圓角 R3 胎座側(cè)圓角 R4 輪緣厚度 P3 TRA標準 ～ 4min 4max 11min 注： A、上面附圖為 5度深槽 J型輪輞扁平峰設(shè)計的常規(guī)尺寸（適用于 TRA標準，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。 一般沉孔直徑設(shè)計為 27mm；深度為 （見下圖）。 根據(jù)上面車軸螺栓的設(shè)計 ， 螺栓通孔直徑尺寸 d 一般不應小于。 螺栓孔結(jié)構(gòu)根據(jù)車輛與車輪之間的安裝方式，一般 分為 以下三種： 圖 三種螺栓孔結(jié)構(gòu) 根據(jù)車輛與車輪的裝配關(guān)系，螺栓孔結(jié)構(gòu)上的錐面座和球面座是主要的支撐部位，該部位的高度設(shè)計不應過小。 (A) (B) (C) 圖 使用裸露螺栓孔的裝飾蓋時的三種中心孔結(jié)構(gòu) 當使用裸露螺栓孔的裝飾蓋時，應盡量應用中心孔結(jié)構(gòu)（ A）、（ B）這兩種常用性設(shè)計，因為這兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠提供更大的空間以避免與車軸的干涉，同樣的： 當車輪應 用于轎車時，中心孔安裝面到裝飾蓋底部的距離設(shè)計 H2最好為 45mm 以上； 當車輪應用于卡車或 SUV 時， H2 最好為 65mm 以上。 （ 1） 使用覆蓋螺栓孔的裝飾蓋設(shè)計時，中心孔結(jié)構(gòu)設(shè)計： 此時中心孔設(shè)計可采用簡單的通孔型設(shè)計，安裝面處設(shè)計一個 度的倒角即可。 上海工程技術(shù)大學畢業(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 12 表 輪輞直徑（ J型輪輞） 輪輞輪廓種類 輪輞名稱（ in） 名義直徑（ mm） 5 度深槽輪輞 10 12 304 13 14 15 16 17 18 462 19 20 21 22 23 589 24 26 28 716 表 輪輞寬度（ J型輪輞） 輪輞輪廓種類 輪輞名稱（ in） 輪輞寬度（ mm） 5度深槽輪輞 5 127 6 7 178 上海工程技術(shù)大學畢業(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 13 8 203 216 9 10 254 11 12 305 13 330 表 輪輞厚度規(guī)定（只適用于壓鑄輪輞） 尺寸（ in） 載荷（ LBS） 輪輞厚度（ mm） ＜ 15 ≤ 1600 15～ 17 18～ 19 20～ 22 ≥ 23 ＜ 15 2100～ 2500 15～ 17 18～ 19 20～ 22 ≥ 23 ＜ 15 ≥ 3100 15～ 17 18～ 19 20～ 22 上海工程技術(shù)大學畢業(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 14 ≥ 23 中心孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要是需要更多的考慮裝配的關(guān)系，即中心孔與車軸之間、中心孔與卡口蓋之間、中心孔與杯蓋之間的配合。 設(shè)計參數(shù)的確定 在確定了設(shè)計方法以后，根據(jù)總體的設(shè)計要求，就要進一步確定鋁合金車輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù) ， 這里的設(shè)計參數(shù)主要包括整體設(shè)計參數(shù)和局部設(shè)計參數(shù)兩部分。同時考慮到車輪在使用過程中，由于環(huán)境或操作人員錯誤使用洗滌劑、錯誤使用輪胎安裝機、不正常維護等等，所以設(shè)計上海工程技術(shù)大學畢業(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 時必須充分預見到這些潛在的問題，將危害降到最低。 圖 車輪 圖 奇瑞 車輪 上海工程技術(shù)大學畢業(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 10 圖 POLO_05 款車輪 設(shè)計的總體要求 考慮到本課題所研究的是整體式鋁合金車輪，又是通過鑄造后機械加工 成型，所有在確定結(jié)構(gòu)的各項參數(shù)之前，必須要明確一系列總體的設(shè)計要求這主要包括： 1） 外型要求 :對于鋁合金車輪，顧客要求的不僅僅是卓越的使用性能，悅目的外觀造型也是很重要的一面，所以設(shè)計時必須認真考慮顏色、刀紋、加工表面粗糙度