搜索固有頻率在車輪設(shè)計(jì)有限元分析中的應(yīng)用
2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
以三維軟件進(jìn)行車輪造型,用CAD軟件建立固有頻率分析數(shù)學(xué)模型,對車輪固有頻率進(jìn)行分析和處理。結(jié)合其他試驗(yàn)的分析,對車輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
李力重 王軍 來源:萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:有限元分析 固有頻率 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
汽車作為現(xiàn)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(wěn)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(guān)聯(lián)作用是產(chǎn)生路面噪聲和振動(dòng)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(qū)間是汽車整車廠和配套供應(yīng)商共同關(guān)注的問題。
傳統(tǒng)的車輪設(shè)計(jì)只考慮車輪的強(qiáng)度,只要滿足沖擊、彎曲疲勞和徑向疲勞試驗(yàn)的要求即可,而車輪的固有頻率卻幾乎沒有考慮。當(dāng)車輪與整車發(fā)生共振時(shí),對整車行駛的平穩(wěn)性將產(chǎn)生很大的影響,會(huì)因此產(chǎn)生振動(dòng),不但影響乘坐的舒適性,而且還會(huì)對整車產(chǎn)生破壞性損傷?，F(xiàn)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(shí)測得到。
1 車輪固有頻率的計(jì)算方法
對于輪轂的固有頻率,通常主要關(guān)心的是輪轂的輪輞和輪輻模態(tài)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(shè)計(jì)時(shí)對車輪的固有頻率進(jìn)行有限元分析,根據(jù)測定條件建立相應(yīng)的分析模型,施加相應(yīng)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(jié)構(gòu)等。通過改善工藝條件,可以適當(dāng)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(jié)構(gòu),可以有效改善車輪的頻率和振型。
下面是一個(gè)車輪的有限元分析過程。基本步驟和其他試驗(yàn)的有限元分析是一樣的要求:前處理(劃分網(wǎng)格、施加邊界條件)。計(jì)算,后處理(各階振型模態(tài)的判讀、固有頻率值的判讀、輸出)
第一步:建立數(shù)學(xué)三維模型。在I-DEAS軟件的仿真模塊中,按照相應(yīng)的要求,對模型劃分網(wǎng)格(如圖1),網(wǎng)格質(zhì)量檢查無誤后,可以進(jìn)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(jì)算時(shí),只設(shè)定邊界條件即可。約束參照試驗(yàn)時(shí)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(xù)的結(jié)算就以此邊界條件集為基礎(chǔ)。
第四步:建立有限元分析解算集。以邊界條件集為基礎(chǔ),建立解算集。解算集中的內(nèi)容包括:指定解算振型階次、指定輸出項(xiàng)目(應(yīng)力、應(yīng)變、位移等項(xiàng)目)。
建立解算集后,就可以進(jìn)行有限元分析的計(jì)算了。如圖3所示,計(jì)算出各階固有頻率的模態(tài)和頻率值,計(jì)算結(jié)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(jié)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(fā)生明顯位移的模態(tài)。頻率值也參考此4階模態(tài)。
2固有頻率分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比
表1是我公司為國內(nèi)某汽車廠配套開發(fā)的幾款輪型的固有頻率分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比。對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的相關(guān)性在96%以上,如圖4所示。即分析的準(zhǔn)確度很高,可以滿足在開發(fā)階段,對車輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)的要求。
3 總結(jié)
按照此方法計(jì)算車輪的固有頻率值簡便易行,與實(shí)際車輪的裝配使用狀態(tài)吻合。對于有限元分析,可采用現(xiàn)有軟件,與剛性分析、強(qiáng)度分析可共用一套軟件,無需另外購買即可及時(shí)準(zhǔn)確地為車輪優(yōu)化設(shè)計(jì)提供合理的建議。
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(shí),國際上的車輪生產(chǎn)廠商通過對車輪的進(jìn)一步研究,固有頻率已經(jīng)成為車輪的重要性能指標(biāo)。我公司2005年購入I-DEAS軟件,是國內(nèi)第一家進(jìn)行車輪固有頻率的有限元分析和實(shí)測的廠家,已經(jīng)取得了一定的成果。但是,分析結(jié)果和實(shí)測結(jié)果還需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,才能縮小分析與實(shí)測結(jié)果的誤差。
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