【正文】 成為國(guó)內(nèi)外大學(xué)院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)課，也成為工程技術(shù)人員必備的技能。 CATIA 大量用于航空航天、汽車及 摩托車行業(yè)、機(jī)械、電子、家電與 3C 產(chǎn)業(yè)、 NC 加工等各方面。它的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、三維建模、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬與仿真、工程圖的生成到生產(chǎn)加工成產(chǎn)品的全過程，其中還包括了大量電纜和管道布線、各種模具設(shè)計(jì)與分析、人機(jī)交換等實(shí)用模塊。 車輪模型的建立 CATIA 簡(jiǎn)介 CATIA 的全稱是 Computergraphics Aided Threedimensional Interactive Application?？奢敵龉?jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力、必要時(shí)可繪制出結(jié)構(gòu)的變形網(wǎng)格圖、等位移線圖、等應(yīng)力線圖等。 3)分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力 、 變形及特性。所謂建立力學(xué)模型 ,就是在保持機(jī)械零部件原有結(jié)構(gòu)形狀、邊界約束、邊界溫度以及受載狀況等基本情況下、把結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化和理想化、使之既有一定的精度又便于計(jì)算。將整體結(jié)構(gòu)或其一部分簡(jiǎn)化為理想的數(shù)學(xué)模型 ,即選擇合適的單元 ,并將結(jié)構(gòu)離散化 ,在結(jié)構(gòu)離散的基礎(chǔ)上 ,給定約束、溫度條件、然后再輸入材料特性、節(jié)點(diǎn)載荷和單元載荷等。如果事先不知道各個(gè) 零件的邊界條件 ,則必須把整個(gè)結(jié)構(gòu)作為多物體接觸問題求解。如果要求解應(yīng)力集中問題 ,則必須在結(jié)構(gòu)的相應(yīng)區(qū)域細(xì)劃分網(wǎng)格 ,這種細(xì)化網(wǎng)格可以一次實(shí)現(xiàn) ,也可以分步實(shí)現(xiàn) 。 利用有限進(jìn)行靜力分析的具體實(shí)施過程可分為 以 下幾步 : 1)明確結(jié)構(gòu)分析的目的和要求 ,再確定問題的類型和規(guī)模。確定邊界條件、施加載荷并求解 。不論是線性或非線性的分析 ,其總體分析過程都基本相同。以ANSYS 為代表的有限元分析軟件具有以一下優(yōu)點(diǎn) : 1） 減少設(shè)計(jì)成本 ； 2） 縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期 ； 3） 增加產(chǎn)品和 工 程的可靠性 ； 4） 采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低材料的消耗和成本 ； 5） 在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題 ； 6） 可以進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)分析 ； 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 26 7） 進(jìn)行機(jī)械事故分析，查找事故原因 。當(dāng)然除這二點(diǎn)外，有限元法還有許多優(yōu)點(diǎn)，如在應(yīng)力分析中，有限元模型與 實(shí)際結(jié)構(gòu)非常相似，而不是一種很難形象化的與實(shí)際結(jié)構(gòu)十分不同的抽象物等?？梢允煌乃缴辖?duì)該法的理解，既可通過非常直觀的物理途徑來(lái)學(xué)習(xí)和應(yīng)用這一方法，也能為該法建立起嚴(yán)格的數(shù)學(xué)解釋。這從上面介紹的應(yīng)用范圍可看到。還可應(yīng)用于汽車的空氣動(dòng)力學(xué)逆運(yùn)算，汽車碰撞和被動(dòng)安全性計(jì)算等等 [7]。三 是在應(yīng)用機(jī)械與汽車結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析中，普遍采用有限元法來(lái)進(jìn)行各構(gòu)件的模態(tài)分析，同時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀形象地再現(xiàn)各構(gòu)件的振動(dòng)模態(tài)，進(jìn)一步計(jì)算出各構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 25 較真實(shí)地描繪出動(dòng)態(tài)過程，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供方便有效的 工 具 。具體的講，機(jī)械與汽車結(jié)構(gòu)的有限元分析的應(yīng)用體現(xiàn)在三個(gè)方面 :一是在機(jī)械與汽車的設(shè)計(jì)中，對(duì)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，有限元法是一種不可替代的工具 。 在機(jī)械與汽車結(jié)構(gòu)分析中，有限元法已作為一種常用的基本方法被廣泛應(yīng)用。在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的汽車市場(chǎng)，汽車性價(jià)比已經(jīng)成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。 汽車是藝術(shù)和技術(shù)的結(jié)合?？梢源_定一些系統(tǒng)的特征值或臨界值，如結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析及線彈性系統(tǒng)固有特性的確定等。如線彈性上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 24 系統(tǒng)的應(yīng)力分析，也可應(yīng)用在靜電學(xué)、靜磁學(xué)、穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和多孔介質(zhì)中的流體流動(dòng)等的分析。隨著有限單元法的發(fā)展和應(yīng)用它在仁程分析中的作用，已從最初的分析和校核擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合的程度。因此，只要研究井確定有限大小單元的力學(xué)特性，就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的方法求解，使問題得到簡(jiǎn)化。引入邊界約束條件后，解此方程組，就求得節(jié)點(diǎn)位移，并可計(jì)算出各單元應(yīng) 力。 在此基礎(chǔ)上，對(duì)每一單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)近似模擬其位移分量的分布規(guī)律，即選擇位移模式，再通過虛功原理 (或變分原理或其它方法 )求得每個(gè)單元的平衡方程，這就建立了單元節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)應(yīng)力之間的關(guān)系。這樣組成的有限元單元集合體，并引進(jìn)等效節(jié)點(diǎn)力及節(jié)點(diǎn)的約束 條件，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目有限，就成為具有有限自由度的有限元計(jì)算模型。切點(diǎn)一般都在單元邊界上。 有限元的基本思想就是 假想把彈性連續(xù)體分割成數(shù)目有限的單元，并認(rèn)為相鄰單元之間僅在節(jié)點(diǎn)處相連。此后應(yīng)用數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和工程師們由于各種原因也都涉足過有 限單元的概念，但由于當(dāng)時(shí)計(jì)算技術(shù)的約束，不能用以解決工程技術(shù)問題，因而也就沒有引起科學(xué)及工程界的重視。 而應(yīng)用覆蓋螺栓孔的裝飾蓋設(shè)計(jì)時(shí)，可把安裝盤的厚度控制在 20～25mm 之間，而安裝盤和輪輻之間的“脖子”厚度控制在 25～ 27mm 之間。 根據(jù)載荷和輪輻寬度的差異，對(duì)于靠近輪輞部位的輪輻厚度，設(shè)計(jì)時(shí)可先考慮在 20mm 到 26mm 之間波動(dòng)。 輪輻的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是靠近輪輞位置的輪輻截面積最小，然后越靠近安裝盤輪輻的截面積就越大。在符合輪輞標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，圖 和圖 為輪輞正面 與反面 輪緣的常用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) ，具體尺寸見表 和表 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 20 圖 輪輞圓周凸峰輪廓尺寸和形狀 表 輪輞圓周凸峰輪廓尺寸 輪輞 標(biāo)準(zhǔn) 輪緣高度H1 胎座寬度 P1 輪緣厚度 P3 輪緣圓角 R2 胎座圓角 R3 凸峰圓角 R5 凸峰側(cè)圓角 R4 凸峰側(cè)圓角 R6 TRA標(biāo)準(zhǔn) 21min 11min 8min 3min 3min 注： A、上面附圖為 5度深槽 J型輪輞圓凸峰設(shè)計(jì)的常規(guī)尺寸（適用于 TRA標(biāo)準(zhǔn)，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。 輪輞扁平凸峰輪廓尺寸和形狀如圖 和表 所示，輪輞圓周凸峰輪廓尺寸和形狀 如圖 和表 所示。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 18 圖 淺沉孔結(jié)構(gòu) 常用的螺栓孔結(jié)構(gòu) 有如圖以下 2 種。 為適應(yīng)一些車軸螺栓底部存在倒角或凸臺(tái)的需要，要在螺栓孔的底部增加淺沉孔結(jié)構(gòu)，保證螺栓和螺栓孔的準(zhǔn)確配合。對(duì)于要求尺寸 d 小于 14mm 的 螺栓孔設(shè)計(jì)，可讓客戶提供車軸螺栓的規(guī)格，以確定具體尺寸 d。 對(duì)于螺栓孔通孔的直徑尺寸 d，根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)車輛的統(tǒng)計(jì)，絕大部分汽車車軸上的螺栓規(guī)格設(shè)計(jì)有兩種： 和 。 對(duì)于錐面座，高度尺寸 H 不應(yīng)小于 3mm，錐面角度為 60 度。 當(dāng)車輪應(yīng)用于卡車或 SUV 時(shí)， H2 為最好為 65mm 以上，而 H1 最好為 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 17 18mm 以上。 而對(duì)于中心孔結(jié)構(gòu)（ C），根據(jù)上面車軸結(jié)構(gòu)來(lái)看，其中心孔有效高度有兩個(gè)，即為 H1 和 H2。 圖 使用 覆蓋螺栓孔的 裝飾蓋時(shí)中心孔結(jié)構(gòu) （ 2） 使用裸露螺栓孔的裝飾蓋設(shè)計(jì)時(shí)的中心孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 16 此時(shí)的中心孔設(shè)計(jì)由于考慮到裝飾蓋的安裝，一般可分成以下的幾種結(jié)構(gòu)。安裝盤厚度 H1 一般設(shè)計(jì)為 20～ 25mm。常見的車軸結(jié)構(gòu)如下圖： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 15 圖 車軸結(jié)構(gòu) 根據(jù)上圖車軸的結(jié)構(gòu)，我們常用的中心孔結(jié)構(gòu)主要有以下的幾種結(jié)構(gòu)。 由于有些汽車車軸與車軸連接面之間可能存在著倒角關(guān) 系，所以一般在中心孔安裝面處設(shè)計(jì)一個(gè)倒角過渡（倒角結(jié)構(gòu)見下圖） 。其中， 輪輞 在設(shè)計(jì)上已經(jīng)形成了比較固定的參考標(biāo)準(zhǔn)，這里將參考5 度 深槽 輪輞 的輪廓尺寸標(biāo)準(zhǔn) ，具體尺寸見下列各表。 整體設(shè)計(jì)參數(shù) 首先要確定一些重要的背景數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將勾畫出整體設(shè)計(jì)的輪廓，這主要包括輪輞直徑及寬度、 輪輞厚度、 安裝面分布圓直徑及螺栓孔尺寸 、中心孔配合尺寸、最小可適用輪胎尺寸、前后制動(dòng)空間尺寸等等 。 4） 加工工藝的要求 :鋁合金車 輪復(fù)雜多變的造型設(shè)計(jì)對(duì)加工工藝提出了更高的要求，有時(shí)需要增加一些專用工具或設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮盡量避 免新的設(shè)備及工件，并 考慮鑄造加工的工藝性特點(diǎn)，有時(shí)需要造型設(shè)計(jì)做出一些讓步 [5， 13， 18]。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 11 3） 安裝可靠、拆卸方便 :確保車輪在行駛時(shí)不發(fā)生松動(dòng)是至關(guān)重要的，所以要考慮車輪的安裝面設(shè)計(jì)及緊固件的選擇。盡管目前鑄造鋁合金普遍采用 A356 合金，最大限 度地降低了腐蝕趨勢(shì)，但設(shè)計(jì)時(shí)要注意，如果鋁合金中含銅量較高，則在電化學(xué)條件下就更易于腐蝕。 2） 耐蝕性和耐用性 :鋁合金車輪為了增加耐蝕性，整個(gè)外露表面應(yīng)全部噴漆，所用漆可以是透明的或不透明的、粉末壯的或液態(tài)的。 本課題 所研究的小排量轎車車輪 是以 車的鋁合金車輪 （圖 和圖 ） 作為主要的 參照 對(duì)象， 同時(shí)參考 POLO（圖 ） 等幾款相似的車型所使用的鋁合金車輪的造型特點(diǎn)，設(shè)計(jì) 幾 種造型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各項(xiàng)性能比較優(yōu)越，易于加工制造的新 車輪 。通過使用這樣對(duì)比參照的設(shè)計(jì)方法，可以突破經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的某些束縛，設(shè)計(jì)出一些具有更優(yōu)性能的車輪。但是這種方法又過于依靠經(jīng)驗(yàn)，從而可能導(dǎo)致一些新的設(shè)計(jì)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 9 思 想不易實(shí)現(xiàn)，也就不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 目前，在車輪的 實(shí)體 建模方面，主要根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的具體要求，查閱以前相關(guān)的文獻(xiàn)資料和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而確定車輪各部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)并建立車輪的幾何模型。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 8 圖 車輪結(jié)構(gòu)圖 2 車輪的設(shè)計(jì) 車輪的設(shè)計(jì)方法概述 車輪的 實(shí)體 建模是整個(gè)設(shè)計(jì)工程中 最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)樗仁钱a(chǎn)品初步定型的過程，又是后面進(jìn)行性能分析和模擬加工的基礎(chǔ)。有正偏距、零偏距、負(fù)偏距之分。 （ 7） 氣門孔：安裝輪胎氣門嘴的孔。 （ 4） 胎圈座：與輪胎圈接觸，支撐維持輪胎半徑方向的輪輞部分。 （ 2） 輪輻：與車軸輪轂實(shí)施安裝連接，支撐輪輞的車輪部分。 由于鋁合金車輪的重量輕，可以使小排量轎車的性能得到更好的發(fā)揮，所以本論文選擇鋁合金車輪作為研究的對(duì)象。 九十年代初該技術(shù)在轎車領(lǐng)域中普及開來(lái)，現(xiàn)在鋁合金輪 圈已是衡量轎車外觀質(zhì)量的一種標(biāo)志。因?yàn)橹亓枯p，所以增加了載重量。鋁合金的力學(xué)性能雖然比不上鋼材，但通過結(jié)構(gòu)、壁厚、選材、熱處理等強(qiáng)化措施來(lái)提高材質(zhì)和產(chǎn)品本身性能，完全可滿足整車對(duì)安全的要求（實(shí)踐證明，鋁合金車輪在強(qiáng)度、鋼度和韌性上能像鋼車輪一樣滿足整車安全和使用要求）而且還具有鋼車輪無(wú)法比擬的許多優(yōu)點(diǎn)。但目前除飛機(jī)、跑車等一些特殊場(chǎng)合外，鎂合金車輪還未能像鋁合金車輪那樣廣泛用于市場(chǎng)，主要原因是鎂合金極易氧化的特點(diǎn)給熔煉、鑄造所涉及的環(huán)保和生產(chǎn)成本等因素，帶來(lái)了諸多暫時(shí)難于大量生產(chǎn)的難題，而且還有許多產(chǎn)業(yè)化的問題有待我們?nèi)パ芯拷鉀Q [5， 13]。尤其是鎂合金有著極高的強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和彈性模量，是極為理想的車輪制造材料。 鋁合金車 輪 是 八十 年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新品種，它是由特殊的低溫鑄造工藝手段制成，可把輪輻和輪輞聯(lián)成一體，鑄成各種花式外形。 前者 是用合金鋼板材通過軋壓和沖壓制成輪輞、輪輻（或鋼絲）的坯料，再接焊接，點(diǎn)焊、二氧化碳電弧焊、擠壓等工序裝配組合而成的，這類車輪由于很適宜大批上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 6 量生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)性好，作為傳統(tǒng)性軋制車輪，大多 用于載重汽車和普通轎車 。 按輪輻的構(gòu)造，車輪可分為兩種主要形式：輻板式 和 輻條式 [5]。 2） 組合式：由 二 個(gè)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(lái)的結(jié)構(gòu)； （ 2） 三片式車輪：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)。車輪與汽車的多種性能密切相關(guān)，整車 的安全性和可靠性很大程度上取決于所用車輪及所裝輪胎的性能和使用壽命 [18]。 1 車輪基本知識(shí) 車輪概述 車輪是車輛承載的重要安全部件，它除受垂直力外，還受因車輛啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)扭矩的作用，行駛中轉(zhuǎn)彎、沖擊等來(lái)自多方向 的不規(guī)則受力。而通過有限元軟件對(duì)設(shè)計(jì)的車輪模型劃分網(wǎng)格，進(jìn)行有限元模態(tài)分析，判斷設(shè)計(jì)的車輪結(jié)構(gòu)是否符合實(shí)際要求。因此，本文將常規(guī)的設(shè)計(jì)方法同有限元分析相結(jié)合，進(jìn)而進(jìn)行車輪的設(shè)計(jì)。如何設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)代汽車關(guān)于 輕量、低油耗和美觀舒適的設(shè)計(jì)要求，必須從設(shè)計(jì)方法上和技術(shù)手段上有新的突破 [24]。車輪作為汽車的主要安全部件，其設(shè)計(jì)研