基于有限元模擬鋼圈的自由模態(tài)與試驗(yàn)分析*

袁龍鋒，徐武彬，李 冰

(廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州 545000)

0 引言

汽車(chē)已成為人們的代步工具，由于車(chē)輪一般在隨機(jī)載荷的工況下工作，汽車(chē)行駛時(shí)，車(chē)輪受到了彎曲載荷和交變扭轉(zhuǎn)載荷［1］，所以車(chē)輪必須要有足夠的疲勞壽命和強(qiáng)度，以便達(dá)到汽車(chē)的安全使用壽命周期的要求。因此在車(chē)輪的設(shè)計(jì)和研發(fā)中最關(guān)注的問(wèn)題就是車(chē)輪的強(qiáng)度和疲勞壽命這方面的問(wèn)題，即車(chē)輪在規(guī)定的使用壽命之內(nèi)沒(méi)有發(fā)生任何的疲勞破壞［2］。深入研究車(chē)輪的不同自由模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，是研究解決上述問(wèn)題的一種有效方法。

1 鋼圈自由模態(tài)的有限元分析

研究分析鋼圈的振動(dòng)特性主要試驗(yàn)測(cè)試法和有限元分析法［3］兩種方法。有限元分析法通過(guò)運(yùn)用有限元相關(guān)軟件，在計(jì)算機(jī)的輔助下完成對(duì)鋼圈的固有頻率和振型的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果在一定的誤差允許范圍內(nèi)。筆者利用UG對(duì)鋼圈進(jìn)行三維建模。把鋼圈的UG模型通過(guò)接口導(dǎo)入到ANSYS-WORKBENCH有限元分析軟件［4］中進(jìn)行材料的定義、網(wǎng)格的劃分、由于分析的是鋼圈的自由模態(tài)，所以鋼圈不受到任何載荷和約束的邊界條件等，最后計(jì)算出鋼圈的前十階的自由模態(tài)的固有頻率和相對(duì)應(yīng)的振型。如圖1所示為計(jì)算出鋼圈的自由模態(tài)的前十階的固有頻率和陣型圖。

圖1 鋼圈的前十階自由模態(tài)的振型圖

2 試驗(yàn)測(cè)試

在對(duì)鋼圈進(jìn)行自由模態(tài)分析試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，要求被測(cè)鋼圈不受任何約束，處于自由狀態(tài)下。本次試驗(yàn)是通過(guò)把鋼圈放在剛度小，柔軟性較好的的輪胎上面，是鋼圈處于一個(gè)自由狀態(tài)下。采用LMS數(shù)據(jù)采集前端的Signature模塊對(duì)鋼圈進(jìn)行測(cè)試，分別在鋼圈的輪輻、輪輞、彈性擋圈等表面取了32采集點(diǎn)，每次布置八個(gè)三向加速度傳感器在相應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)處，然后分別采集各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的加速度信號(hào)，分四次測(cè)完。如圖2。如表1為前16階固有頻率及振型特征。

圖2 鋼圈的試驗(yàn)測(cè)試

表1 前6階固有頻率及振型特征

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，得到鋼圈前四階非剛體固有頻率，前述有限元法計(jì)算得前十階固有頻率，前六階為鋼圈剛體固有頻率，數(shù)值都約等于0，后四階為非剛體固有頻率，對(duì)比試驗(yàn)和有限元分析得出鋼圈前四階非剛體固有頻率及振型特征。

3 結(jié)論

(1)模態(tài)試驗(yàn)分析得出的結(jié)果與有限元計(jì)算的結(jié)果在允許的誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明該鋼圈有限元計(jì)算模型和模態(tài)試驗(yàn)的正確性。

(2)從前四階鋼圈的非剛體振型特性來(lái)看，鋼圈主要是以彎扭及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形式為主。

(3)通過(guò)對(duì)鋼圈進(jìn)行自由模態(tài)的分析，可有效指導(dǎo)模態(tài)試驗(yàn)，并且能夠較好地為解決一些工程實(shí)際問(wèn)題提供有效的幫助。

［1］ 鐘翠霞．鋁合金車(chē)輪設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)分析［D］:杭州:浙江大學(xué)，2006．

［2］ 郄彥輝．鋁合金車(chē)輪的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化［D］．天津:河北工業(yè)大學(xué)，2003．

［3］ 谷安濤，常國(guó)振．汽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)計(jì)算的有限元法［J］．汽車(chē)技術(shù)，1997(6):2-4．

［4］ 張紅兵．曲軸有限元自由模態(tài)分析［J］．車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，1996(2):2-3．