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42囱魁科技2021年•第1期基于Ansys Workbench的汽车轮毂拓扑优化设计/VVv rv"'-il't u v'to•?;Y\'/＞：＞张江峡①袁敏①陈丽第②谢欣然①①成都理工大学工程技术学院②四川力达新能源汽车有限公司为了实现汽车轮毂结构相对于传统汽车轮毂的质量轻化，以拓扑优化方法为理论依据，结合应用Ansys Workbench 对某汽车轮毂结构进行了轻量化设计，通过对轮毂进行拓扑优化分析并将质量在其最大允许范围内进行合理分布，根据模型的优化结果进行了二次设计。
在符合设计要求的情况下，相对于优化前减轻了10%,材料的利用率得到较大的提高，实现了轮毂结构轻量化的目标。
1引言轮毂为汽车的重要部件之一，一般小车车轮的轮毂材料几乎为铝合金已是不争的事实，且一时半会难以找到能与之媲美的材料，由此适当的车轮构造规划显得分外重要，良好的车轮结构应该具备良好的功用，较高的质材利用率，以及方便对其加工等特点X」。
而传统的优化是基于重复实验、计算和验证的设计经历，其优化进程繁琐且耗时久。
拓扑优化思想与有限元仿真优化方法相结合g,使得轻量化设计的过程更为简便，结果更加精确，有效提高了设计效率并降低设计成本。
以轮辐和轮毂的中心面积为设计变量，对轮毂拓扑优化设计进行了有限元仿真。
2拓扑优化技术简介拓扑优化主要的优点就是可以按设定的算法自动地搜索材料最佳分布区间。
拓扑物体构造的改良能够大大改变结构的功能，削减结构的质量，使材料得到最大化分布。
应用有限元计算结果的精确性和网格的质量关系密切，生成合适的有限元网格直接决定后续计算的结果，在有限元分析软件ANSYS的基础上进行轮辐位置轮毂和轮辐优化设计的相关边界条件和参数设置及优化与求解在有限元分析软件ANSYS中，拓扑优化的求解是在满足给定约束条件下求出最大或最小指标函数f。
分析中，每个单元的密度设定为0-1区间，显然0表示完全去除材料，越接近1表示该部分保留的推荐值越大。
龙源期刊网 基于ANSYS的汽车轮毂单元载荷分析作者：吕新飞来源：《下一代》2019年第03期摘要：轮毂是汽车系统重要的运动和支撑部件，从轮毂实际结构出发，建构SoliwdWorks 实体模型，并将模型导入ANSYSWorkbench有限元分析软件作为分析工具，通过模拟轮毂实际载荷，对轮毂的各项力学性能有限元分析，可以优化轮毂设计、提高强度。
关键词：轮毂;有限元;弯矩载荷一、轮毂的几何结构、载荷分析1.1轮毂的形状结构本文轮毂为整体铸造辐条式铝合金轮毂，轮毂材料为ZL101A。
通过三维软件SolidWorks 建立轮毂模型，轮毂上有5个直径为Φ22mm的PCD孔，均匀分布在直径为Φ108mm的圆周上。
结合实际，将辐条表面形状设计为多曲面结合，较平面设计可提高结构的抗冲击性能。
轮毂为五辐条式，且大部分汽车轮毂均为5幅设计。
据统计，轿车轮毂PCD数值5孔占70%以上。
下面通过五幅轮毂展开分析。
1.2汽车轮毂的轻量化发展趋势及材料选用中国汽车行业的飞速发展带来了一系列安全、能源等方面的问题，为了获得更多经济效益和动力性能，汽车工业发展要有新的技术工艺。
汽车轮毂轻量化在节能减排、降低油耗等方面起着至关重要的作用，考虑汽车平稳、舒适、无噪音等整体运行情况，对汽车的结构和形状进行优化。
根据RAYS的测算，减轻lkg非簧载质量（例如，轮毂重量轻lkg，相当于整车质量轻15kg）铝合金以其轻量、散热性好、减震性好等诸多优点大量应用于汽车轻量化，推动了汽车轻量化的发展。
二、建立有限元模型2.1轮毂模型的导入、建立及简化将在SolidWorks软件中完成的零部件3D造型按照Parasolid标准输出“.x_t”文件，导入ANSYS环境。
因轮辐表面由多曲而构成，结构相对复杂，以采用自由网格划分方式“AutomaticMethod”生成网格，而轮缘及胎圈座部分结构较为规则，采用六面体法“Hex Donimant Method”生成網格。
10.16638/ki.1671-7988.2020.23.044基于ANSYS汽车铝合金轮毂的有限元分析张舵，迟瑞娟*（中国农业大学工学院，北京100083）摘要：轮毂作为支撑汽车重量并保证汽车顺利行驶的重要零部件，其结构强度和振动特性对于汽车安全性至关重要。
文章以17英寸汽车铝合金轮毂为研究对象，根据国家标准GB/T 3487-2005《汽车轮辋规格系列》利用Solidworks 对其三维建模，并通过有限元分析软件ANSYS进行了静力分析，验证了其结构强度的合理性，在此基础上进行了有预应力的模态分析，并通过和外界激振频率的对比，结果表明可以避免共振的发生，为轮毂的优化设计提供了理论依据。
关键词：轮毂；静力分析；模态分析中图分类号：U463.343 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2020)23-139-05Finite Element Analysis of Aluminum Alloy Wheel Hub based on ANSYSZhang Duo, Chi Ruijuan*（College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083）Abstract: As an important part to support the weight of the automobile and ensure the smooth running of the automobile, the structural strength and vibration characteristics of the hub are very important for the safety of the automobile. In this paper, according to the national standard GB / T 3487-2005 "specification series of automobile rims", the 3D modeling of 17 inch automobile aluminum alloy wheel hub is carried out by SolidWorks, and the static analysis is carried out by ANSYS, The rationality of its structural strength is verified, on this basis, the modal analysis with prestress is done, and the comparison with the external excitation frequency proves that resonance can be avoided, which provides a theoretical basis for the optimal design of wheel hub.Keywords: Automobile hub; Static analysis; Modal analysisCLC NO.: U463.343 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2020)23-139-05前言轮毂是汽车不可或缺的零部件，不仅要支撑汽车的整车重量，而且在汽车行驶过程中，还要受到路面和转向时的不同大小、方向的作用力，对汽车的顺利行驶和车内人员的乘坐舒适度起到了重要作用，故研究轮毂的应力和振动特性意义重大。
10.16638/ki.1671-7988.2021.012.027基于ANSYS Workbench的轮毂弯曲疲劳分析胡裕超，杨辉（桂林理工大学机械与控制工程学院，广西桂林541006）摘要：轮毂是汽车运行时的主要承载部件，对于汽车安全行驶和可靠运行起着重要作用。
特别对于设计者而言，其各方面的性能都应得到重视。
文章以家用汽车轮胎的轮毂（18×7.5J）为研究对象，利用通用设计软件SolidWorks 建立轮毂仿真模型，而后将轮毂仿真模型导入ANSYS19.2中的geometry模块中进行分析，并且参考国标，在材料库输入铝合金A356的相关参数，得到铝合金A356的S-N曲线，最后求解得到轮毂在周期性弯曲载荷下的安全系数和使用寿命分布云图，根据以上仿真结果，判断轮毂是否符合使用要求，对设计人员具有指导作用。
关键词：轮毂；铝合金；弯曲疲劳；ANSYS workbench中图分类号：U463.343 文献标志码：A 文章编号：1671-7988(2021)12-90-03Bending Fatigue Analysis of Wheel Hub Based on ANSYS WorkbenchHU Yuchao, YANG Hui( College of Mechanical and Control Engineering, Guilin University of Technology, Guangxi Guilin 541006 )Abstract: As an important part of the car wheel, the wheel hub has a significant impact on the safety and reliability of the car. Especially for designers, all aspects of its performance should be paid attention to. This paper takes the wheel hub (18×7.5J ) of the family car tire as the research object, establishes the 3D model of the wheel hub through the 3D software SolidWorks, imports it into the simulation software for simulation analysis, and establishes the fatigue life curve (S-N curve) of aluminum alloy (A356), through the analysis to obtain the safety factor and fatigue life cloud diagram of the hub, according to the above simulation results, determine whether the hub meets the requirements of use, which has a guiding role for the designer. Keywords: Wheel hub; Aluminum alloy; Bending fatigue; ANSYS workbenchCLC NO.: U463.343 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)12-90-03引言传统的轮毂设计必须要通过实验法测定轮毂的各项结构性能以及疲劳使用寿命，极其耗费成本[1]。
基于CATIA和ANSYS的轮毂的有限元分析⽬录1.绪论 (2)1.1CATIA软件介绍 (2)1.2ANSYS软件介绍 (2)1.3PRO/E软件介绍 (2)1.4本次课程设计的主要内容及⽬的 (3)2. 轮毂的建模 (4)2.1轮毂截⾯的建模 (4)2.2轮毂⽴体建模 (9)3.CATIA导⼊ANSYS (16)3.1运⽤PRO/E改变CATIA输出格式 (16)3.2轮毂的LUNGU.X-T导⼊ANSYS (17)3.3导⼊模型⽣成实体 (18)4.轮毂的有限元分析 (21)4.1参数设定 (21)4.2⽹格划分 (23)4.3有限元分析 (23)4.4分析求解 (26)4.5保存为.LGW格式 (29)结束语 (38)1课程设计的主要⼯作 (38)2课程设计中存在的不⾜ (38)参考⽂献 (39)轮毂的建模及有限元分析1.绪论1.1 CATIA软件介绍CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决⽅案。
作为PLM协同解决⽅案的⼀个重要组成部分，它可以帮助制造⼚商设计他们未来的产品，并⽀持从项⽬前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部⼯业设计流程。
模块化的CATIA系列产品旨在满⾜客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统⼯程、管理数字样机、机械加⼯、分析和模拟。
CATIA产品基于开放式可扩展的V5架构。
通过使企业能够重⽤产品设计知识，缩短开发周期，CATIA解决⽅案加快企业对市场的需求的反应。
⾃1999年以来，市场上⼴泛采⽤它的数字样机流程，从⽽使之成为世界上最常⽤的产品开发系统。
CATIA系列产品已经在七⼤领域⾥成为⾸要的3D 设计和模拟解决⽅案：汽车、航空航天、船舶制造、⼚房设计、电⼒与电⼦、消费品和通⽤机械制造。
本次使⽤软件版本为CATIA V5R19.1.2 ANSYS软件介绍ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于⼀体的⼤型通⽤有限元分析软件。
目录第1章用CATIA建立CATIA 建立轮毂模型 (1)1.1汽车轮惘规格系列 (2)1.2轮毂建模 (4)第2章模型导入ANSYS10.0 (10)2.1轮毂零件模型*.model导入导入ANSYS10.0 (10)2.2导入模型生成实体 (11)第3章ANSYS模态分析 (12)3.1参数设定 (12)3.2网格划分 (12)3.3模态分析及图形显示 (13)3.4模态分析数据及总结 (25)参考文献 (29)第一章用CATIA建立轮毂模型1.1汽车轮惘规格系列1.范围本标准规定了汽车车轮与轮胎相配合部分的轮辆轮廓术语、标记、负荷、50深槽轮惘(50DC),15“深槽轮辆(150DC),50半深槽轮惘(50SDC),50斜底轮辆(50FB),本标准适用于汽车所使用的轮辆规格系列。
2.轮辆轮廓术语图1-1 轮辋轮廓A —轮辆标定宽度;B —轮缘宽度; C—轮缘半径位置尺寸; D —轮辆标定直径; F1，F2—轮辋上气门嘴孔位置尺寸; G - 轮缘高度; H - 槽底深度; DR,DF—胎圈座突峰直径; L - 槽底宽度; M —槽的位置尺寸; P—胎圈座宽度; R1—轮缘接合半径; R2—轮缘半径; R3—胎圈座圆角半径; R4—槽顶圆角半径; R5- 槽底圆角半径; R6—轮缘端部圆角半径; R7—槽侧半径; V —气门嘴孔或槽的尺寸; α—槽底角度; β—胎圈座角度。
注1:凡标注二的尺寸与轮胎在轮惘上的装、拆有关，是轮辆槽底的最小尺寸，M表示槽底位置的极限尺寸注2:槽顶圆角半径R 和槽底角度a是轮胎在轮惘上装、拆的重要参数。
注3:安装面，即轮胎从这一面装人轮辆或从这一面拆下轮胎.对于多件式轮辆，安装面是可拆卸轮缘的一面。
3.标记轮辋规格名称采用“轮惘名义直径X/一轮辋名义宽度轮辋轮廓代号”，也可采用“轮辋名义宽度轮辋轮廓代号X/一轮辆名义直径”表示。
4．负荷施加在轮辋/车轮上的负荷和气压，不应超过轮辋/车轮制造厂推荐的最大值。
8.2 轮毂（曲面）设计本节以图8-58所示的汽车轮毂为例，来对曲面设计的相关命令用法进行说明。
气门孔轮辐轮毂轮辋槽底图8-59 汽车轮毂从上图实例进行分析，物体结构为对称结构形式，每个螺孔两侧对应一组对称结构，所以只要完成其四分之一的结构造型，就可通过对称或旋转来完成整个轮毂结构绘制。
而整个轮毂从轴心向个又可分为轮毂、轮辐和轮辋三部分，在此先确定轮毂的坐标系：按照轮胎坐标系，车轮转动轴线为x轴，垂向为z轴，前进方向为x轴。
下面对操作过程分步说明。
8.2.1 生成轮辐单击菜单File→New，新建一个Shape文件，点击OK后在弹出图8-60所示的“Shape name”框中键入“hub”作为文件名。
图8-60 键入文件名“lungu”单击OK进入曲面设计工作台，如图8-61所示，如果此时不是曲面工作台，则还要再从开始菜单选择Shape→“Generative Shape Design”进入曲面设计模块。
（1）从内向外进行绘制，所以进入yz平面绘制断面轮廓进行旋转。
进入yz平面绘制草图如图8-62所示：绘制一个圆弧，圆心在横轴上，起点在纵轴上，距横轴50mm，半径为100 mm，终点横坐标为40。
Part Design图标图8-61 初始结构树图8-62 绘制轮毂外廓草图退出草图设计工作台，在曲面设计模块选择图标，在弹出的旋转曲面对话框中默认轮廓为Sketch.1，右键选择Y Axis为转轴，向一侧转动45度生成曲面，如图8-63所示。
图8-63 旋转草图设置（2）单击图标，弹出如下对话框，新建相对xy平面偏移300mm的plane.1。
图8-64 新建参考平面选择新建的plane.1，进入草图绘制模块，绘制图8-65所示草图，图中纵向为H轴。
Rotate.1Sketch.1图8-65 Plane.1上的轮廓图8-66 Sketch.1转动11.25°如图8-66所示，将Sketch.1绕水平轴线转动11.25°，生成Rotate.1。
作者简介:丁海峰(19732),男,山东文登人,三角轮胎股份有限公司工程师,学士,主要从事轮胎力学分析与研究工作。
CATIA 软件在轮胎三维设计中的应用丁海峰1,邵志民1,王传铸1,王铭伟2(1.三角轮胎股份有限公司,山东威海 264200;2.空军第二航空学院计算机实验中心,吉林长春 130022) 摘要:以195/65R15规格轮胎设计为例,介绍了CATIA 软件在轮胎三维设计中的应用。
CATIA 软件具有较强的三维实体和曲面造型功能,特别是后参数化的设计为技术人员提供了一个便于设计、修改的平台。
CATIA V5R8提供的草图设计、曲面造型、实体造型和制图功能均很强大,可以满足轮胎设计的要求,可缩短产品从设计到投放市场的时间,对轮胎厂参与国际竞争、提高企业形象和促进与汽车制造厂商的技术交流均可起到较好作用。
关键词:CAD ;CATIA 软件;轮胎设计;后参数化设计 中图分类号:T Q33611;TP391172 文献标识码:B 文章编号:100628171(2004)0420199204 随着计算机技术应用越来越普及,软硬件的推陈出新,汽车行业已经逐渐摆脱陈旧的平面C AD 设计,完成了向三维C AD 的过渡,逐渐向网络化、虚拟化过渡,三维设计软件C ATI A ,UG,ProE 和S olidW orks 等逐渐取代了原来的二维设计软件,实现了零部件的虚拟设计及整车装配的数字化仿真,大大提高了设计效率,并使设计失误降到最小。
轮胎作为汽车的重要部件,其设计也需要跟上汽车行业的发展步伐。
为达到与汽车厂商实现网络化、数字化交流的需要,提高产品的设计手段和创新速度,降低产品设计失误,我公司决定采用三维设计软件C ATI A 设计轮胎。
1 CATIA 简介C ATI A 是法国Dassault 公司开发的大型P LM应用系统,由与Dassault 结成合作伙伴关系的I BM负责推广。
C ATI A 简单易学、功能强大,具有其它三维设计软件不可比拟的优势。
基于ANSYS的汽车轮毂的强度分析和轻量化分析1. 概论轮毂是汽车轮胎内用于支撑轮胎和固定轮胎内缘的圆柱形金属部件，与轮胎一起受到汽车载荷的作用。
汽车在运动过程中，车轮与地面接触的相互作用力，以及使汽车运动的力矩都是通过轮毂来实现的。
因此轮毂的强度大小是汽车稳定、可靠运行的重要因素，需要借助有限元软件对轮毂进行强度和刚度分析。
同时在研究轮毂轻量化设计时，也需要考虑到轮毂的刚度，适当地降低轮毂的变形量，以确保其轮辋圆度，确保汽车行驶的稳定性和可靠性，提高其安全系数。
本文针对某工厂生产的钢制轮毂进行研究，利用ANSYS 软件对其进行强度分析和结构优化设计，最终实现轻量化设计。
本文分析软件采用ansys Workbench，优化部分采用Workbench中自带的优化模块DesignExploration。
自ANSYS 7.0开始，ANSYS公司推出了ANSYS经典版（Mechanical APDL）和ANSYS Workbench版两个版本，并且目前均已开发至18版本。
Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。
ANSYS公司长期以来为用户提供成熟的CAE产品，现在决定把自己的CAE产品拆散形成组件。
公司不只提供整合的、成熟的软件，而且提供软件的组件（API）。
用户可以根据本企业产品研发流程将这些拆散的技术重新组合，并集成为具有自主知识产权的技术，形成既能够充分满足自身的分析需求，又充分融入产品研发流程的仿真体系。
Workbench则是专门为重新组合这些组件而设计的专用平台。
它提供了一个加载和管理API的基本框架。
在此框架中，各组件（API）通过Jscript、VBscript和HTML脚本语言组织，并编制适合自己的使用界面（GUI）。
另外，第三方CAE技术和用户具有自主知识产权的技术也可以像ANSYS的技术一样编制成API溶入这个程序中。
2. 有限元模型建立首先在ansys workbench的前处理软件中导入已经建好的轮毂几何模型，在前处理软件中除去了部分细小倒角和孔特征，不影响整体的有限元分析。
目录1 设计项目名称 (2)2 设计目的和要求要求 (2)3 设计内容 (2)4 设计方法 (2)5 三维建模，生成轮毂实体 (2)6 模型导入ANASYS过程 (13)7 定义材料属性 (13)8 划分网格 (14)9 施加约束和载荷 (14)10 浏览及分析结果 (15)11 参考文献 (17)1设计项目名称大型工程软件综合课程设计2设计目的和要求(1)掌握应用catia实体建模方法。
(2 )掌握应用ansys进行简单有限元分析方法，要求学生能对问题进行分析，自己独立完成。
3实验内容：利用CATI A画出轮毂实体模型,然后倒入ANASY对轮毂进行有限元分析，观察轮毂在静止时面受力变化情况。
4试验方法：合理利用好CATIA和ANASYS各命令，完成实体建模与分析5三维建模生成轮毂实体(1)打开CATIA软件:开始→机械设计→零部件设计。
(2)单位设置：工具→选项→单位→把长度单位改为厘米→单击确定。
(3)由XY平面进入草图，以原点为圆心画一个半径为20厘米的圆，退出草图，将圆拉伸成28c m的凸台。
(4)由yz平面进入草图，用直线命令画出插入几何体的平面轮廓如图：图5.1轮毂外形轮廓曲线(6) 退出草图，将轮廓曲面绕圆柱轴线旋转360°，结果如图：图5.2旋转后生成体(7)进行布尔减运算，生成新的实体图5.3轮毂实体外形(8)由圆柱上平面，进入草图，以原点为圆心画一个半径为19厘米的圆，退出草图，将做深度为2cm的凹槽。
结果如图：图5.4凹槽1(9) 由YZ平面进入草图，利用线命令画出插入体的平面图形，如图所示：图5.5 插入面图形2(10) 退出草图，将插入面绕圆柱轴线旋转360度,如图：图5.6由面2生成的旋转体(11) 布尔减运算，抽出由面2生成的旋转体图5.7抽出由面2生成的旋转体(12)由yz平面进入草图，利用线命令画出插入几何体的平面图形3图5.8插入平面图形3 (12)退出草图，将插入面3绕圆柱体轴线旋转360度图5.8 由面3生成的旋转体(13)布尔减法运算，得到图如下图5.9抽出由面三生成的旋转体（14）进入草图以原点为圆心画一个半径为16厘米的圆，退出草图，将圆做成深度为8cm的凹槽图5.10抽去凹槽(15) 由YZ平面进入草图，利用直线命令画出插入体的平面图图5.11 插入平面4 (16)退出草图，将插入面4绕圆柱轴线旋转360度图5.12平面4旋转后的生成体(17)进行布尔减法运算，最后生成新的实体如图：图5.13抽出由面4旋转生成的体(18) 由实体的上表面进入草图，画一个半径为17厘米的圆，退出草图，将圆做成深度为4cm的凹槽图5.14(19)由实体的上表面进入草图，画一个半径为18厘米的圆，退出草图，将圆做成深度为2cm的凹槽。
基于CATIA V5的汽车车轮钢圈结构强度分析2008-05-09 19:06:43 作者：王磊来源：一汽天津夏利汽车股份有限公司文字大小：大中小简介：本文运用CATIA V5 创成式结构分析功能对汽车车轮钢圈的结构强度进行了分析，分别对弯曲疲劳台架试验工况和径向疲劳台架试验工况进行了分析。
分析计算结果表明，汽车车轮钢圈强度的有限元仿真分析是实现汽车结构部件强度设计的有效手段。
关键字：创成式结构分析汽车车轮钢圈弯曲疲劳台架试验工况汽车车轮是汽车的重要部件，汽车与地面之间的所有相互作用力和力矩(例如驱动力、制动力、侧向力、垂直力以及回力矩等)都是通过车轮传递，因此车轮对汽车的多种性能有重要的影响，尤其是安全性和可靠性。
由于车轮是回旋体，所以要求尺寸精度高，平衡度好，支撑轮胎的轮辋外形(包括轮廓、尺寸、形状)正确，而且具有一定的刚度和弹性，耐疲劳，重量轻，经历适用。
本文在分析了车轮结构特点之后，介绍了应用CATIA V5 有限元法对车轮进行结构分析时的力学模型简化方法，然后对车轮的弯曲和径向疲劳台架试验工况进行了有限元分析，来指导车轮结构的修改，获得了较为理想的结果。
1 汽车车轮结构与特点汽车车轮钢圈由轮辋和轮辐组成，两者用焊接的形式组合而成。
其结构随着使用要求和设计布局的不同而不同。
本文所研究的车轮钢圈如下图所示。
其辐板上面挖去9 个减重孔，轮缘和轮辋底部便于安装轮胎。
图1 汽车车轮钢圈模型2 CATIA V5 有限元分析的特点CATIA 是法国达索公司开发的一种CAD/CAE/CAM 软件。
CATIA 软件以其强大的功能在飞机、汽车、轮船等设计领域享有很高的声誉。
创成式有限元分析(Generative Structure Analysis)是CATIA V5 软件一个比较成熟的模块，它能够同CATIA 其他模块进行数据共享，在同一个界面下进行有限元分析操作。
同专业的有限元分析软件相比较，它具有操作简单，分析结果可靠性好，同时不需要对分析模型进行数据转化，因而受到越来越广泛的关注和应用。
技术创新 57基于ANSYS 的汽车轮毂模态分析◊三明医学科技职业学院吴文群 翁振斌轮毂是车辆承载的重要安全部件，由轮辎和轮辐两个部分组成。
行驶过程中，汽车轮毂路面不同幅值、不同频率的激励而受到不同类型的作用力，高速旋转的轮毂直接影 响车辆的平稳性、和操纵性。
以某品牌家用小轿车铝合金材质轮毂为研究对象，利用UG 软进行三维建模，然后利用ANSYS 软件对三维模型进行网格划分和模态分析，获得六阶振动频率，将获得的振幅频率与发动机转速振动频率和路面激励频率进行对比，从而验 证结构的合理性。
轮毂是车辆承载的重要安全部件。
行驶过程中，汽车轮毂承受来自路面不同幅值、不同频率的激励除受垂直力外，还受 因车辆起动、制动时扭矩的作用，转弯、冲击等来自多方向的不规则受力。
高速旋转的轮毂直接影响车辆的平稳性、和操纵 性％随着国民家用轿车保有量的逐年猛增，人们对汽车的安全性和美观度需求也是不断的提高，因而，对家用汽车轮毂要求 尺寸精度高、不平衡度小、质量轻、高耐疲劳性、足够的刚度和弹性并且大方美观。
如何实现轮毂的高要求是一个技术人员 长期研究的过程，利用ANSYS 软件对汽轮毂毂运动过程进行模态分析，对比轮毂在自由状态下的固有频率和模态振型，对防 止轮毂由于振动造成变形或损坏等现象和优化轮毂参数具有重 要的工程应用价值。
1建立几何模型轮毂是在轮胎以及车轴间承受载荷的部件，一般情况下， 由轮網和轮辐两个部分组成％本文以某品牌家用小轿车铝合金材质轮毂为研究对象，轮網和轮辐的厚度分别为2 mm 和3 nrn,都属于薄壁构件。
铝合金材质轮毂重量较轻，惯性阻力小，制 作精度高，在高速转动时的变形小，惯性阻力小，有利于提高汽车的直线行驶性能，减轻轮胎滚动阻力，从而减少了油耗。
同时合金材质的导热性能又是钢的三倍左右，散热性好，对于车辆的制动系，轮胎和制动系统的热衰减都能起到一定的作 用葺该轮毂轮辐的材料是A356,具体参数见表1。
基于ANSYS的汽车轮胎有限元分析刘野，廉哲满【摘要】轮胎作为汽车承载的重要部件，对汽车的安全性、行驶性能和操作稳定性有着非常重要的影响。
文中基于CATIA平台，建立轮胎三维立体模型，通过CATIA与ANSYS的接口，向ANSYS软件中导入模型，从而分析求解在充气压力状况下的轮胎整体变形情况与各部位易产生破坏处的应力一应变分布状况，为轮胎性能的评价及轮胎的设计和改进提供参考依据。
【期刊名称】机械工程师【年(卷),期】2014(000)003【总页数】2【关键词】CATIA；ANSYS；轮胎；充气压力；有限元分析0 引言轮胎作为汽车的一个重要部件，它的主要功能是将驱动力、制动力、转向力传递给地面，支撑负荷以及和汽车悬挂共同作用来缓和汽车行驶时所带来的冲击影响，从而保证汽车具有良好的舒适性和平稳性［1-2］，因此汽车各种性能的好坏与轮胎的性能有直接关系。
分析其变形及其性能，可为轮胎设计与改进提供有价值的参考依据。
1 轮胎的建模轮胎的建模方法有很多种，本文主要是利用三维造型软件CATIA 对轮胎进行建模，轮胎建模的基本步骤如下：1）在Sketcher（草图）上绘制轮胎的外部轮廓，然后根据数据编辑轮胎的尺寸。
Sketcher 绘制是3D 设计的重要手段之一，它拥有与二维软件功能相近的平面轮廓设计功能，同时可将轮廓转化为三维实体。
通过该功能模块可以设计较复杂的平面轮廓线［3］，该功能非常适用于绘制由多段曲线组合而成的轮胎内外轮廓。
2）完成轮胎草图后，通过旋转体命令建立轮胎的立体模型，建立凹槽，通过圆弧阵列凹槽，完成轮毂绘制。
3）通过曲面造型功能，在Sketcher 的轮胎轮廓的旋转曲面上直接绘制花纹。
在轮胎花纹的绘制过程中，依据设计的多方位要求并与灵活的后参数化功能相结合，使得轮胎轮廓的曲线参数、花纹沟宽、沟深和角度等相关参数可随时根据要求进行更改。
4）运用镜像命令，复制1/2 轮胎，完成轮胎的建模。
CATIA 中创建完成的轮胎模型如图1 所示。
目录第1章用CATIA建立CATIA 建立轮毂模型 (1)1.1汽车轮惘规格系列 (2)1.2轮毂建模 (4)第2章模型导入ANSYS10.0 (10)2.1轮毂零件模型*.model导入导入ANSYS10.0 (10)2.2导入模型生成实体 (11)第3章ANSYS模态分析 (12)3.1参数设定 (12)3.2网格划分 (12)3.3模态分析及图形显示 (13)3.4模态分析数据及总结 (25)参考文献 (29)第一章用CATIA建立轮毂模型1.1汽车轮惘规格系列1.范围本标准规定了汽车车轮与轮胎相配合部分的轮辆轮廓术语、标记、负荷、50深槽轮惘(50DC),15“深槽轮辆(150DC),50半深槽轮惘(50SDC),50斜底轮辆(50FB),本标准适用于汽车所使用的轮辆规格系列。
2.轮辆轮廓术语图1-1 轮辋轮廓A —轮辆标定宽度;B —轮缘宽度; C—轮缘半径位置尺寸; D —轮辆标定直径; F1，F2—轮辋上气门嘴孔位置尺寸; G - 轮缘高度; H - 槽底深度; DR,DF—胎圈座突峰直径; L - 槽底宽度; M —槽的位置尺寸; P—胎圈座宽度; R1—轮缘接合半径; R2—轮缘半径; R3—胎圈座圆角半径; R4—槽顶圆角半径; R5- 槽底圆角半径; R6—轮缘端部圆角半径; R7—槽侧半径; V —气门嘴孔或槽的尺寸; α—槽底角度; β—胎圈座角度。
注1:凡标注二的尺寸与轮胎在轮惘上的装、拆有关，是轮辆槽底的最小尺寸，M表示槽底位置的极限尺寸注2:槽顶圆角半径R 和槽底角度a是轮胎在轮惘上装、拆的重要参数。
注3:安装面，即轮胎从这一面装人轮辆或从这一面拆下轮胎.对于多件式轮辆，安装面是可拆卸轮缘的一面。
3.标记轮辋规格名称采用“轮惘名义直径X/一轮辋名义宽度轮辋轮廓代号”，也可采用“轮辋名义宽度轮辋轮廓代号X/一轮辆名义直径”表示。
4．负荷施加在轮辋/车轮上的负荷和气压，不应超过轮辋/车轮制造厂推荐的最大值。
这个值可刻制在轮辋/车轮上，当轮辋/车轮上无此标记或使用条件超过其推荐值时，则应与轮辋/车轮厂协商，以确保在预期使用条件下，轮辋/车轮不被破坏。
5. 5度深槽轮辋6.根据实际测量的轮辋数据及各种参数选用J 型轮辋。
J 型轮辋轮廓：图1-2 轮辋轮廓标注J 型轮辋尺寸：选用215J 型轮辋，尺寸如表1-3所示： 单位为毫米表1-3 轮辋轮廓尺寸1.2轮毂建模1．YZ平面上建立草图从开始菜单中启动CATIA V5R16软件，进入CATIA的工作平面，点开其开始菜单选择机械设计--零部件设计，进入零件设计工作台。
选中YZ平面，单击草图器工具图标，进入草图工作台。
根据国家标准画出轮毂YZ平面局部草图（其间用到倒角、偏移、标准等命令），如图1-4所示：图1-4 轮毂YZ平面局部图2.根据车间轮辋轮辐画出轮辐YZ平面草图，并使形成闭合曲线，如图1-5所示：图1-5 轮辐YZ平面草图3.退出草图平面，用旋转体命令建立旋转体，选中草图一，点击旋转体命令，以H轴为旋转轴，旋转360度，预览，确定。
生成了整体轮廓图，如图1-6所示：图1-6 整体轮廓图4.点击图中间平面区，进入草图，画出螺栓大小孔，并分别进行阵列，局部视图如图1-7所示：图1-7 螺栓大小孔5.点击图中间平面区，进入草图，以回转中心为圆心画圆，退出草图进行拉伸和挖孔操作得到的局部图如图1-8所示：图1-8车轮中心部分图6.整体轮廓图正面如图1-9所示：图1-9 整体轮廓图正面图7.在整体轮廓图正面两虚线圆内建立三个点并由三个点生成面，如图1-10所示：图1-10 生成面8.在新建的面上画出三角形，并利用凹槽命令挖通，如图1-11所示：图1-11 三角形9.以轮毂回转轴为中心进行阵列，如图图1-12所示:图1-12 外形图10．气门口做法先建平面再画草图，最后使用凹槽命令，得到图1-13所示图形：图1-13 整体图形11.模型建立完毕，如图1-14所示：图1-14最终模型12.将文件存为*.CATPart *.model两种格式第2章模型导入ANSYS10.02.1轮毂零件模型*.model导入ANSYS10.01．导入CATIA轮毂模型：打开ANSYS=>File=>Import=>CATIA。
如图2-1所示：图2-1 图2-22．选择已保存的model模型，如图2-2所示：导入后的图形如图2-3所示：图2-3初始导入图2.2导入模型生成实体生成实体操作如图十八、图十九所示，生成的实体图如图2-6所示：图2-4 操作图2-5 操作图2-6生成的实体图第3章ANSYS模态分析3.1参数设定1．模型材料的设定定义模型的单元类型：定义轮毂为实体45号单元rick 8node 23 如图3-1所示图3-1定义单元类型2.材料属性：ANSYS Main Menu=> Preprocessor=>Material Prop=Material Models。
1）材料的弹性模量和泊松比弹性模量EX＝2.1E11泊松比PRXY＝0.32）定义材料的密度DENS：Main Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models>densityDENS=78003.2网格划分1) ANSYS Main Menu=>Meshing=>MeshTool.2) 选择轮毂实体3) 设置轮毂为solid45号，单击Mesh对轮毂进行网格划分4) 划分结果如图3-2所示：图3-2网格划分图3.3模态分析及图形显示1.模态分析的设定1）选定分析选项Main Menu =>Solution =>Analysis Type =>New Analysis→“Modal”(模态分析)2）分析选型设定Main Menu= >Solution =>Analysis Type =>Analysis Options选定参数如图3-3所示：图3-3 分析选型设定单击ok按钮，将会弹出Block Lanczos Method ，Start Freq是0，End Frequ是100000000，单击ok按钮。
3）进行求解Main Menu => Solution => Current LS2．模态分析过程及结果显示1）列出固有频率Main Menu =>General Postproc =>Results Summary，将列出轮毂的所有求解的固有频率，在文本框里列出了轮毂的前20阶固有频率如图3-4所示：图3-4 前20阶固有频率2）得到模态分析图形a．选取菜单路径Main Menu =>General Postproc =>Read Results =>First Set，选择轮盘第一阶模态b．选取菜单路径Main Menu =>General Postproc =>Plot Results =>Contour Plot=>Nodal Solu，选择DOF，如图3-5所示，此时可观察轮毂的一阶模态，如图3-6所示：图3-5 模态分析操作图3-6第一阶模态振型c．选取菜单路径Main Menu =>General Postproc =>Read Results= >Next Set，进入轮毂第二阶模态。
d．选取菜单路径Main Menu =>General Postproc= >Plot Results=>Nodal Solu图形窗口中将显示出第二阶模态振型，如图二十七所示：图3-7第二阶模态振型e．重复上述c、d操作就可获得个阶模态振型，如下所示：图3-8 第三阶模态振型图3-9 第四阶模态振型图3-10 五阶模态振型图3-11 第六阶模态振型图3-12 第七阶模态振型图3-13 第八阶模态振型图3-14 第九阶模态振型图3-15 第十阶模态振型图3-16 第十一阶模态振型图3-17 第十二阶模态振型图3-18 第十三阶模态振型图3-19 第十四阶模态振型图3-20 第十五阶模态振型图3-21 第十六阶模态振型图3-22 第十七阶模态振型图3-23 第十八阶模态振型图3-24 第十九阶模态振型图3-25 第二十模态振型3.4模态分析数据及总结轮毂的前20阶固有频率，如图3-26所示：图3-26 前20阶固有频率数据轮毂固有特性由固有频率、振型等一组模态参数构成，它由轮毂本身（质量与刚度分布）决定，而与外部载荷无关，但决定了结构对动载荷的响应。
由模态分析可以看出轮毂振型情况为：轮毂周边变形较大，第七阶模态到第十阶模态下，周边变形逐渐增大；第十一阶模态下，变形不是很明显第十二阶模态到第十四阶模态下，周边变形逐渐减小；随后的变化趋势是增大减小增大交替出现，类似正弦规律；在变形小的频率处，没有发生共振，变形大的地方发生了共振。
所以车轮在设计的时候应根据模态分析得到的数据，让车轮的固有频率与其相关的外界频率错开，避免发生共振使车轮变形，进而可以增加舒适性。
保存文件：*.lgw格式文件，使用记事本打开代码如下/BATCH! /COM,ANSYS RELEASE 10.0 UP20050718 19:12:08 06/30/2010/input,menust,tmp,'',,,,,,,,,,,,,,,,1! /GRA,POWER! /GST,ON! /PLO,INFO,3! /GRO,CURL,ON! /CPLANE,1! /REPLOT,RESIZEWPSTYLE,,,,,,,,0! /REPLOT,RESIZE~CATIAIN,burongyi,model,'.[卓骆\狭绩兔箕恍\',,,0/NOPR/GO! /FACET,NORML! /DIST,1,1.08222638492,1! /REP,FAST!*ET,1,SOLID45!*MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,EX,1,,2.1e11 MPDATA,PRXY,1,,0.3 MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,DENS,1,,7800CM,_Y,VOLUVSEL, , , , 1CM,_Y1,VOLUCMSEL,S,_Y!*CMSEL,S,_Y1V ATT, 1, , 1, 0 CMSEL,S,_YCMDELE,_YCMDELE,_Y1!*SMRT,6SMRT,7SMRT,7SMRT,8MSHAPE,1,3DMSHKEY,0!*CM,_Y,VOLUVSEL, , , , 1CM,_Y1,VOLUCHKMSH,'VOLU'CMSEL,S,_YVMESH,_Y1!*CMDELE,_YCMDELE,_Y1CMDELE,_Y2!*FINISH/SOL!*ANTYPE,2!*MSA VE,0!*MODOPT,LANB,20EQSLV,SPARMXPAND,20, , ,0LUMPM,0PSTRES,0!*MODOPT,LANB,20,0,100000000, ,OFF! /STATUS,SOLUSOLVEFINISH/POST1SET,LIST! LGWRITE,'0802020122','lgw','C:\DOCUME~1\ADMINI~1[卓骆\狭绩湍~1\',COMMENT沈阳理工大学课程设计论文参考文献[1] 丁仁亮．CATIA V5基础教程[M]．北京:机械工业出版社，2006.10（2008.1 重印）[2] 尤春风. CATIA V5 机械设计[M]. 北京:清华大学出版社，2002[3] 陈家瑞. 汽车构造:上册[M]. 北京:机械工业出版社，2005.1（2009.1 重印）[4] Rosenberg R. M，Atkinson C. P．On the natural modes and their stability in nonlinear two degrees of freedom systems [J]．Journal of Applied Mechanics，1959，26：377-385．[5]张乐乐，苏树强，谭南林ANSYS辅助分析应用基础教程上机指导–北京：清华大学出版社；北京交通大学出版社，2007.1229。
