基于有限元模擬鋼圈的自由模態與試驗分析*

袁龍鋒，徐武彬，李 冰

(廣西科技大學機械工程學院，廣西柳州 545000)

0 引言

汽車已成為人們的代步工具，由于車輪一般在隨機載荷的工況下工作，汽車行駛時，車輪受到了彎曲載荷和交變扭轉載荷［1］，所以車輪必須要有足夠的疲勞壽命和強度，以便達到汽車的安全使用壽命周期的要求。因此在車輪的設計和研發中最關注的問題就是車輪的強度和疲勞壽命這方面的問題，即車輪在規定的使用壽命之內沒有發生任何的疲勞破壞［2］。深入研究車輪的不同自由模態對結構強度的影響，是研究解決上述問題的一種有效方法。

1 鋼圈自由模態的有限元分析

研究分析鋼圈的振動特性主要試驗測試法和有限元分析法［3］兩種方法。有限元分析法通過運用有限元相關軟件，在計算機的輔助下完成對鋼圈的固有頻率和振型的計算，計算結果在一定的誤差允許范圍內。筆者利用UG對鋼圈進行三維建模。把鋼圈的UG模型通過接口導入到ANSYS-WORKBENCH有限元分析軟件［4］中進行材料的定義、網格的劃分、由于分析的是鋼圈的自由模態，所以鋼圈不受到任何載荷和約束的邊界條件等，最后計算出鋼圈的前十階的自由模態的固有頻率和相對應的振型。如圖1所示為計算出鋼圈的自由模態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的振型圖

2 試驗測試

在對鋼圈進行自由模態分析試驗測試時，要求被測鋼圈不受任何約束，處于自由狀態下。本次試驗是通過把鋼圈放在剛度小，柔軟性較好的的輪胎上面，是鋼圈處于一個自由狀態下。采用LMS數據采集前端的Signature模塊對鋼圈進行測試，分別在鋼圈的輪輻、輪輞、彈性擋圈等表面取了32采集點，每次布置八個三向加速度傳感器在相應的測試點處，然后分別采集各個測試點的加速度信號，分四次測完。如圖2。如表1為前16階固有頻率及振型特征。

圖2 鋼圈的試驗測試

表1 前6階固有頻率及振型特征

實驗數據經處理后，得到鋼圈前四階非剛體固有頻率，前述有限元法計算得前十階固有頻率，前六階為鋼圈剛體固有頻率，數值都約等于0，后四階為非剛體固有頻率，對比試驗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 結論

(1)模態試驗分析得出的結果與有限元計算的結果在允許的誤差范圍內，說明該鋼圈有限元計算模型和模態試驗的正確性。

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

(3)通過對鋼圈進行自由模態的分析，可有效指導模態試驗，并且能夠較好地為解決一些工程實際問題提供有效的幫助。

［1］ 鐘翠霞．鋁合金車輪設計及結構分析［D］:杭州:浙江大學，2006．

［2］ 郄彥輝．鋁合金車輪的結構分析及優化［D］．天津:河北工業大學，2003．

［3］ 谷安濤，常國振．汽車車架設計計算的有限元法［J］．汽車技術，1997(6):2-4．

［4］ 張紅兵．曲軸有限元自由模態分析［J］．車用發動機，1996(2):2-3．