汽車車輪是汽車的重要部件，汽車與地面之間的所有相互作用力和力矩(例如驅(qū)動力、制動力、側(cè)向力、垂直力以及回力矩等)都是通過車輪傳遞，因此車輪對汽車的多種性能有重要的影響，尤其是安全性和可靠性。由于車輪是回旋體，所以要求尺寸精度高，平衡度好，支撐輪胎的輪輞外形(包括輪廓、尺寸、形狀)正確，而且具有一定的剛度和彈性，耐疲勞，重量輕，經(jīng)歷適用。

本文在分析了車輪結(jié)構(gòu)特點之后，介紹了應用CATIA V5 有限元法對車輪進行結(jié)構(gòu)分析時的力學模型簡化方法，然后對車輪的彎曲和徑向疲勞臺架試驗工況進行了有限元分析，來指導車輪結(jié)構(gòu)的修改，獲得了較為理想的結(jié)果。

1 汽車車輪結(jié)構(gòu)與特點

汽車車輪鋼圈由輪輞和輪輻組成，兩者用焊接的形式組合而成。其結(jié)構(gòu)隨著使用要求和設計布局的不同而不同。本文所研究的車輪鋼圈如下圖所示。其輻板上面挖去9 個減重孔，輪緣和輪輞底部便于安裝輪胎。

2 CATIA V5 有限元分析的特點

CATIA 是法國達索公司開發(fā)的一種CAD/CAE/CAM 軟件。CATIA 軟件以其強大的功能在飛機、汽車、輪船等設計領域享有很高的聲譽。創(chuàng)成式有限元分析(Generative Structure Analysis)是CATIA V5 軟件一個比較成熟的模塊，它能夠同CATIA 其他模塊進行數(shù)據(jù)共享，在同一個界面下進行有限元分析操作。同專業(yè)的有限元分析軟件相比較，它具有操作簡單，分析結(jié)果可靠性好，同時不需要對分析模型進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，因而受到越來越廣泛的關(guān)注和應用。

3 汽車車輪鋼圈有限元分析

3.1 車輪鋼圈有限元分析模型建立

(1).結(jié)構(gòu)。

車輪鋼圈模型完全按照圖紙尺寸建立，幾乎未做簡化，防止產(chǎn)生以外誤差，避免影響分析結(jié)果。

(2).邊界條件和載荷。

針對汽車車輪鋼圈彎曲疲勞臺架試驗和徑向疲勞臺架試驗工況，對車輪鋼圈進行計算機有限元模擬強度和剛度分析。參照給定的試驗條件，我們進行了如下兩種工況條件下的有限元分析

工況一：模擬汽車車輪鋼圈的彎曲疲勞臺架試驗。

約束方式：輪輻支撐面接觸區(qū)固定

負荷方式：(a). 輪緣周邊施加彎矩M，彎矩大小為：M=2683N.m；(b). 緊固孔錐面施加軸向力F；軸向力大小為：F=25000N×6。

工況二：模擬車輪鋼圈的徑向疲勞臺架試驗。

約束方式：輪輻緊固孔接觸區(qū)固定

負荷方式：a. 輪緣垂直平面施加兩個軸向力L，這兩個軸向力大小相等、方向相反，沿周邊均勻分布；軸向力L 的大小為：L=49478N；b. 輪輞兩側(cè)胎圈座中軸線左右各20mm 范圍內(nèi)均勻施加徑向力P1、P2，徑向力P1、P2 分別為：P1、P2=3528N；中軸線左右各20~50mm 范圍內(nèi)施加徑向力P3、P4、P5、P6，其值大小為：P3、P4、P5、P6=1176N。

3.2 車輪鋼圈有限元網(wǎng)格劃分

CATIA 提供了豐富的有限元單元類型，如殼單元、梁單元、桿單元、實體單元等。根據(jù)車輪鋼圈的工件特點和分析精度要求，本文采用采用軟件默認工程精度進行網(wǎng)格劃分，選用四面體立體單元。單元網(wǎng)格的大小為10mm。在定義網(wǎng)格屬性之前，我們需要對其進行材料定義，此模型為碳鋼材料模型，彈性模量為：2.0e+5Mpa; 泊松比為：0.27。單元網(wǎng)格屬性為實體屬性。手孔、緊固孔、輪緣等重點部位單元細化，以求提高分析結(jié)果的精確度。

車輪鋼圈共劃分實體單元52,251 個，節(jié)點數(shù)位17,760 個。如下圖所示：

3.3 有限元模型計算及數(shù)據(jù)輸出分析

運用CATIA V5 創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)分析模塊，對對上面建立的鋼圈有限元分析模型進行分析求解。此模型的計算目的就是分析汽車車輪鋼圈在這倆種工況條件下的應力分布情況，得到它們的應力大小及分布圖。圖3 為彎曲疲勞臺架試驗工況下的應力云圖，圖4 為徑向疲勞臺架試驗工況下的應力云圖。

變形集中區(qū)域位置主要位于輪輞邊緣和輪輻中心孔邊緣，應力集中區(qū)域位置主要在輪輻支撐面、螺栓孔周圍、手孔邊緣，最大應力點數(shù)值，8.55e+8N/m2(螺栓孔錐面)。從圖5 中可以得到，變形集中區(qū)域位置主要位于輪緣徑向受力一側(cè)，應力集中區(qū)域位置主要在輪輞輪緣、螺栓孔錐面、手孔邊緣，最大應力點數(shù)值：3.63e+8N/m2(螺栓孔錐面)。

4 結(jié)束語

通過對該型汽車車輪鋼圈進行有限元分析，驗證了車輪鋼圈在彎曲疲勞臺架試驗和徑向疲勞臺架試驗結(jié)果的正確定，用應力云圖形象地表示了車輪鋼圈在彎曲和徑向工況下的應力大小及分布，為車輪設計開發(fā)提供了有利的依據(jù)，從而避免了設計中的盲目性，減少設計成本，縮短設計周期。