【正文】 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，該部位的高度設計不應過小。 對于球面座，高度尺寸 H 不應小于 5mm，球面 R 角為 12～ 15mm。 根據(jù)上面車軸螺栓的設計 ， 螺栓通孔直徑尺寸 d 一般不應小于。 對于螺栓孔沉孔直徑 D，一般設計直徑在 28mm 以上，以適應可用多種螺母的需要。 一般沉孔直徑設計為 27mm；深度為 （見下圖）。 圖 錐面螺栓孔結(jié)構(gòu) 圖 球面螺栓孔結(jié)構(gòu) 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 19 局部設計參數(shù) 確定車 輪局部的設計參數(shù)是對整個車輪造型設計的進一步完善，局部結(jié)構(gòu)的各項參數(shù)主要包括內(nèi)外輪緣的圓角半徑尺寸、 輪輞 槽的最小深度、輪輞 槽傾斜的角度、輪輻的結(jié)構(gòu)及尺寸大小、通風孔的位置和尺寸、表面過渡處的圓角半徑、氣門孔處的壁厚和氣門孔徑的大小、撥模角的大小等等 。 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。 輪輞正面的輪緣設計主要涉 及到鑄造，輕量化和沖擊試驗等方面的因素。 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（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 一般輪輻設計的順序是先根據(jù)車輪的外觀設計出輪輻正面的輪廓線，再設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計。這是因為考慮到輪輻的受力分布（越靠近安裝盤，輪輻受到的應力就越大）、鋁液順序凝固和補縮通道的需要。而靠近安裝盤部位的輪輻厚度，設計時可先考慮在 25mm 到 32mm 之間波動。 3 有限單元法及其在汽車設計中的應用 有限元法 的基本原理 有限元法的基本思想 有限元法基本思想的提出，可以追溯到 courant在 1943年的工作，他第一次假想翹曲函數(shù)在一個人為劃分的三角形單元集合體的每個單元上為簡單的線性函數(shù)，求得了 。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]。根據(jù)物體的幾何特征、載荷特征、邊上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 23 界約束特征等，單元有各種類型。切點的位移分量作為結(jié)構(gòu)的基本未知量。它代替了原來具有無限自由度的連續(xù)體，也就是有限元連散化 。 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。 從上述論述可見，有限元法的實質(zhì)是把具有無限多個自由度的彈性連續(xù)體，理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問題。 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。 根據(jù)分析目地，有限元法在工程技術(shù)領(lǐng)域的應用可以分 為 三 大類 : 1） 靜力分析 ， 也就是求解不隨時間變化的系統(tǒng)平衡問題。 2） 模態(tài)分析和穩(wěn)定性分析 ， 它是平衡問題的推廣。 3） 瞬時動態(tài)分析 ， 可以求解一些隨時間而變化的傳播問題，如彈性體的瞬時動態(tài)分析 (或稱動力響應 )，流體動力等。一輛好車的主要特點是造型美觀、有時代感、結(jié)構(gòu)設計合理、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。采用有限元的常規(guī)分析技術(shù)，用計算機輔助設計代替經(jīng)驗設計，預測結(jié)構(gòu)性能、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高產(chǎn)品研發(fā)水平、降低產(chǎn)品成本，加快新產(chǎn)品上市 [6]。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。二是在機械與汽車結(jié)構(gòu)的計算機輔助設計 (CAD)、優(yōu)化設計中，有限元法作為結(jié)構(gòu)分析的工具，已成為其中主要組成部分之一 。 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。 根據(jù)以上的分析，我們可以看到，有限元法的一個突出的優(yōu)點是應用范圍極為廠泛，具有非常強的適用范圍性。另外一個突出優(yōu)點是概念淺顯，容易掌握。適合掌握數(shù)學、力學專業(yè)知識水平不同的人應用。 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。 靜力分析的基本步驟 靜力學分析是結(jié)構(gòu)力學分析中應用最廣 泛的一種分析。主要步驟包括 :創(chuàng)建有限元模型 。查看并分析結(jié)果。通常 ,應力應變分析是有限元法求解的基本目的。如果要求各階固有頻率和振型 ,或者計算動載下的位移響應和應力響應 ,則必須進行動態(tài)分析 。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。 2)建立計算力學模型。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。程序自動形成單元剛度矩陣、上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 27 整體剛度矩陣及載荷向量、并求解整體剛度方程從而得到節(jié)點位移、根據(jù)節(jié)點位移求得應力和應變。 4)將計算結(jié)構(gòu)進行整理歸納并得出相應的結(jié)論。它是法國 Dassult 公司于 1975 年起開始發(fā)展的一套完整的 3D CAD/CAM/CAE 一體化軟件。 CATIA 不但能夠保證企業(yè)內(nèi)部設計部門之間的協(xié)同設計功能而且還可以提供企業(yè)整個集成的設計流程和端對端的解決方案。 Dassault 公司與 MSC 公司合作后，加強了其 CAE 模塊，并且發(fā)展出基于 CATIA 的有限元分析軟件。 實體建模 在確定了鋁合金車輪的結(jié)構(gòu)設計參數(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。 圖 設計方案一 圖 設計方案二 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 29 圖 設計方案三 圖 設計方案四 車輪 結(jié)構(gòu)強度 的有限元分析 有限元模型網(wǎng)格的劃分 1） 定義模型的材料和物理特性 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 30 四 種車輪輪輻材料均為 鋁合金 材料 ， 其屈服 強度是 95MPa。 楊氏系數(shù) （ 即彈性模量 ）10107??E Pa， 泊松比 ? =。在 CATIA 網(wǎng)格劃分模塊中，劃分網(wǎng)格分兩個步驟：一是確定單元的大小和類型參數(shù)；二是在幾何體上建立網(wǎng)格。 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 。 其余 車輪 網(wǎng)格圖與 圖 相類似 （ 略去 ）。四 種車輪劃分網(wǎng)格的節(jié)點數(shù)和單元數(shù)見表 。 在分析車輪輪輻受力時 ， 對于制動鼓可把它與輪轂看成一體 ， 確定引起輪 輻開裂主要是輪轂通過安裝面及螺母球面作用于輪輻的垂直力 、 彎矩 ， 同時也考慮了螺栓預緊力 。 同時只分析車輪在旋轉(zhuǎn)時某一瞬間的應力分布情況 。 F=車輛的自重 +車輛最大載重 經(jīng)查閱參考 車輛自重 : 別克凱越旅行車 1345kg 三廂凱越 1300kg 廣本飛度 1053kg 1475kg 轎車車輛自重 :10001500kg 車輛最大載重 :300500kg 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 32 因為對車輪結(jié)構(gòu)強度進行分析，檢驗其是否符合要求，所以在分析加載時 F 取最大值 20xxkg。 SFdRM ??? )(? ? ?????????????????????? () 式中： R —— 為靜負荷半徑。 設計方案一和四所研究的車輪參數(shù)為： R =， d =， F =500kg=4900N， S =， ? = mNSFdRM ????? 2 1 8)( ? 再由 LFM ?? 算出力臂 mmL 452? 。 由 得出的力臂長度可以 確定載荷作用點的位置 。 2） 約束 輪輻四周固定 ， 即將輪輻端面上所有節(jié)點的 三 個自由度全部約束 。 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 。 表 設計方案一車輪分析結(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。 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。 沿車輪軸向逆時針旋轉(zhuǎn) 沿車輪軸向逆時針旋 轉(zhuǎn) 90186。 圖 到圖 分別為四種車輪的應力分布圖。 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 。設計方案四的結(jié)構(gòu)經(jīng)比較最大應力值也不是十分 合理。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。 4 車輪的模態(tài)分析 模態(tài)分析的應用 模態(tài)分析作為一門新的學科得到迅速發(fā)展，關(guān)鍵在于其實用性，在于它解決實際工程中振動問題的能力。 通過這些方法為老產(chǎn)品的改進和新產(chǎn)品的設計提供可靠的指導。 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 38 模態(tài)分析的分類 模態(tài) 的結(jié)構(gòu)受到三個主要因素的影響 ： 結(jié)構(gòu)在空間的分布情況 ， 也即結(jié)構(gòu)本身 ,約束 ,還有就是實際運動情況 。 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 。 ODS 通常是指結(jié)構(gòu)在某種約束 、 某種運動條件下表現(xiàn)出來的模態(tài) ， 它是在約束和運動同時作用后考慮的 。 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 。 此時對應的約束模態(tài)也可能改變 。 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。 4） 兩套模型頻譜一致性和振型相關(guān) 性分析。 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)設計參數(shù)的修正，可用優(yōu)化方法進行。 3） 結(jié)構(gòu)矩陣元素修正，包括非零元素和全元素修正兩種。 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。增加模態(tài)分析