固有頻率在車輪設計有限元分析中的應用

2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

以三維軟件進行車輪造型,用CAD軟件建立固有頻率分析數學模型,對車輪固有頻率進行分析和處理。結合其他試驗的分析,對車輪進行優化設計。
李力重王軍來源:萬方數據
關鍵字:有限元分析固有頻率計算機輔助設計

汽車作為現代交通和代步工具,已不僅僅局限于整車的安全性,對乘坐舒適性和行使平穩性的要求也越來越高。輪轂的固有頻率(固有頻率及振型)與路面載荷的關聯作用是產生路面噪聲和振動的重要影響因素。因此,控制輪轂的固有頻率,特別是固有頻率在合理的取值區間是汽車整車廠和配套供應商共同關注的問題。

傳統的車輪設計只考慮車輪的強度,只要滿足沖擊、彎曲疲勞和徑向疲勞試驗的要求即可,而車輪的固有頻率卻幾乎沒有考慮。當車輪與整車發生共振時,對整車行駛的平穩性將產生很大的影響,會因此產生振動,不但影響乘坐的舒適性,而且還會對整車產生破壞性損傷。現今許多汽車廠越來越重視的車輪固有頻率研究,與車輪剛性一樣,是車輪本身固有的特性,可以通過有限元分析與實測得到。

    1 車輪固有頻率的計算方法

對于輪轂的固有頻率,通常主要關心的是輪轂的輪輞和輪輻模態的固有頻率。作為車輪本身固有的特性,車輪的固有頻率和振型可以通過儀器檢測和有限元分析得到。在設計時對車輪的固有頻率進行有限元分析,根據測定條件建立相應的分析模型,施加相應的約束,可以很快算出車輪的固有頻率和各階振型。

通過研究表明影響車輪固有頻率主要因素有材料(彈性模量和密度)、約束情況(有約束和無約束)、結構等。通過改善工藝條件,可以適當改善材料的彈性模量和密度,從而改變車輪的固有頻率和振型。但是材料性能的提高畢竟是有限的。在材料性能不變的前提下,改變車輪的結構,可以有效改善車輪的頻率和振型。

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下面是一個車輪的有限元分析過程。基本步驟和其他試驗的有限元分析是一樣的要求:前處理(劃分網格、施加邊界條件)。計算,后處理(各階振型模態的判讀、固有頻率值的判讀、輸出)

第一步:建立數學三維模型。在I-DEAS軟件的仿真模塊中,按照相應的要求,對模型劃分網格(如圖1),網格質量檢查無誤后,可以進行下一步工作。

第二步:施加邊界條件。I-DEAS軟件中的固有頻率計算時,只設定邊界條件即可。約束參照試驗時的條件,保持法蘭面固定約束。施加邊界條件后的效果如圖2所示.

第三步:建立邊界條件集。邊界條件施加完成后,建立邊界條件集,將約束做到邊界條件集中,后續的結算就以此邊界條件集為基礎。

第四步:建立有限元分析解算集。以邊界條件集為基礎,建立解算集。解算集中的內容包括:指定解算振型階次、指定輸出項目(應力、應變、位移等項目)。

建立解算集后,就可以進行有限元分析的計算了。如圖3所示,計算出各階固有頻率的模態和頻率值,計算結果:輪輞固有頻率433.9 Hz,面外扭曲固有頻率為527 Hz。客戶要求面外扭曲固有頻率為480 Hz,判定結果合格。對于車輪固有頻率的振型,一般情況下只考慮前4階,即輪輞和輪輻發生明顯位移的模態。頻率值也參考此4階模態。

    2固有頻率分析結果與實測結果對比

表1是我公司為國內某汽車廠配套開發的幾款輪型的固有頻率分析結果與實測結果的對比。對以上數據進行相關性分析,分析結果與實測結果的相關性在96%以上,如圖4所示。即分析的準確度很高,可以滿足在開發階段,對車輪的優化設計進行指導的要求。

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    3 總結

按照此方法計算車輪的固有頻率值簡便易行,與實際車輪的裝配使用狀態吻合。對于有限元分析,可采用現有軟件,與剛性分析、強度分析可共用一套軟件,無需另外購買即可及時準確地為車輪優化設計提供合理的建議。

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目前,德國、美國、日本、法國等世界上主要的汽車廠都對車輪的固有頻率提出了要求。同時,國際上的車輪生產廠商通過對車輪的進一步研究,固有頻率已經成為車輪的重要性能指標。我公司2005年購入I-DEAS軟件,是國內第一家進行車輪固有頻率的有限元分析和實測的廠家,已經取得了一定的成果。但是,分析結果和實測結果還需要大量的數據進行對比,才能縮小分析與實測結果的誤差。

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