搜索固有频率在车轮设计有限元分析中的应用
2013-06-06 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
以三维软件进行车轮造型,用CAD软件建立固有频率分析数学模型,对车轮固有频率进行分析和处理。结合其他试验的分析,对车轮进行优化设计。
李力重 王军 来源:万方数据
关键字:有限元分析 固有频率 计算机辅助设计
汽车作为现代交通和代步工具,已不仅仅局限于整车的安全性,对乘坐舒适性和行使平稳性的要求也越来越高。轮毂的固有频率(固有频率及振型)与路面载荷的关联作用是产生路面噪声和振动的重要影响因素。因此,控制轮毂的固有频率,特别是固有频率在合理的取值区间是汽车整车厂和配套供应商共同关注的问题。
传统的车轮设计只考虑车轮的强度,只要满足冲击、弯曲疲劳和径向疲劳试验的要求即可,而车轮的固有频率却几乎没有考虑。当车轮与整车发生共振时,对整车行驶的平稳性将产生很大的影响,会因此产生振动,不但影响乘坐的舒适性,而且还会对整车产生破坏性损伤。现今许多汽车厂越来越重视的车轮固有频率研究,与车轮刚性一样,是车轮本身固有的特性,可以通过有限元分析与实测得到。
1 车轮固有频率的计算方法
对于轮毂的固有频率,通常主要关心的是轮毂的轮辋和轮辐模态的固有频率。作为车轮本身固有的特性,车轮的固有频率和振型可以通过仪器检测和有限元分析得到。在设计时对车轮的固有频率进行有限元分析,根据测定条件建立相应的分析模型,施加相应的约束,可以很快算出车轮的固有频率和各阶振型。
通过研究表明影响车轮固有频率主要因素有材料(弹性模量和密度)、约束情况(有约束和无约束)、结构等。通过改善工艺条件,可以适当改善材料的弹性模量和密度,从而改变车轮的固有频率和振型。但是材料性能的提高毕竟是有限的。在材料性能不变的前提下,改变车轮的结构,可以有效改善车轮的频率和振型。
下面是一个车轮的有限元分析过程。基本步骤和其他试验的有限元分析是一样的要求:前处理(划分网格、施加边界条件)。计算,后处理(各阶振型模态的判读、固有频率值的判读、输出)
第一步:建立数学三维模型。在I-DEAS软件的仿真模块中,按照相应的要求,对模型划分网格(如图1),网格质量检查无误后,可以进行下一步工作。
第二步:施加边界条件。I-DEAS软件中的固有频率计算时,只设定边界条件即可。约束参照试验时的条件,保持法兰面固定约束。施加边界条件后的效果如图2所示.
第三步:建立边界条件集。边界条件施加完成后,建立边界条件集,将约束做到边界条件集中,后续的结算就以此边界条件集为基础。
第四步:建立有限元分析解算集。以边界条件集为基础,建立解算集。解算集中的内容包括:指定解算振型阶次、指定输出项目(应力、应变、位移等项目)。
建立解算集后,就可以进行有限元分析的计算了。如图3所示,计算出各阶固有频率的模态和频率值,计算结果:轮辋固有频率433.9 Hz,面外扭曲固有频率为527 Hz。客户要求面外扭曲固有频率为480 Hz,判定结果合格。对于车轮固有频率的振型,一般情况下只考虑前4阶,即轮辋和轮辐发生明显位移的模态。频率值也参考此4阶模态。
2固有频率分析结果与实测结果对比
表1是我公司为国内某汽车厂配套开发的几款轮型的固有频率分析结果与实测结果的对比。对以上数据进行相关性分析,分析结果与实测结果的相关性在96%以上,如图4所示。即分析的准确度很高,可以满足在开发阶段,对车轮的优化设计进行指导的要求。
3 总结
按照此方法计算车轮的固有频率值简便易行,与实际车轮的装配使用状态吻合。对于有限元分析,可采用现有软件,与刚性分析、强度分析可共用一套软件,无需另外购买即可及时准确地为车轮优化设计提供合理的建议。
目前,德国、美国、日本、法国等世界上主要的汽车厂都对车轮的固有频率提出了要求。同时,国际上的车轮生产厂商通过对车轮的进一步研究,固有频率已经成为车轮的重要性能指标。我公司2005年购入I-DEAS软件,是国内第一家进行车轮固有频率的有限元分析和实测的厂家,已经取得了一定的成果。但是,分析结果和实测结果还需要大量的数据进行对比,才能缩小分析与实测结果的误差。
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