某皮卡輪轂防塵罩強度與模態(tài)性能分析

譚國輝

摘 要：為了驗證某皮卡輪轂防塵罩的性能，首先建立防塵罩的有限元模型，然后采用頻率響應(yīng)方法和重力場方法對其進(jìn)行強度分析，分析結(jié)果表明其最大應(yīng)力值均小于材料屈服值，滿足強度性能設(shè)計要求。再對其進(jìn)行約束模態(tài)分析，分析結(jié)果表明其前三階頻率均高于振動頻率，符合動態(tài)特性要求。

關(guān)鍵詞：防塵罩;有限元;頻率響應(yīng);強度;模態(tài)

中圖分類號：U463.345 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-116-03

Abstract： Aiming at verifing the performance of a pickup hub dust cover. Firstly， the finite element model of dust cover was established. Secondly， it was strength analyzed by adopting frequency response method and gravity field method ， the analysis result showed that its maximum stress was less than the material yield value， it could meet the strength performance design requirements. Lastly， its was constrained modal analyzed， the analysis result showed that its first three frequencies were higher than the vibration frequency， so it could meet the dynamic characteristics requirement.

Keywords： Dust cover; Finite element; Frequency response; Strength; Modal

CLC NO.： U463.345 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-116-03

1 引言

輪轂防塵罩是汽車車輪系統(tǒng)重要的部件，其通過螺栓安裝在輪轂上，其主要起防止異物在行駛過程中對輪轂產(chǎn)生碰撞和磨損，還具有吸音降噪的作用，與此同時，防塵罩對車輛的制動性能也有著重要影響，因此其性能的優(yōu)劣直接影響汽車的安全性與舒適性。防塵罩在不同路況下，將受到各種激勵振動，若其強度性能偏弱，將產(chǎn)生開裂故障，若其模態(tài)性能不足，將產(chǎn)生共振風(fēng)險，因此其強度性能和模態(tài)性能是否符合設(shè)計要求，直接關(guān)系著汽車的可靠性。

為了驗證某皮卡輪轂防塵罩的強度性能和模態(tài)性能，首先采用有限元方法建立其網(wǎng)格模型，然后分別采用頻率響應(yīng)方法和重力場方法對其進(jìn)行強度性能分析，再對其進(jìn)行模態(tài)性能分析，以此得到其應(yīng)力分布和模態(tài)頻率。

2 有限元分析原理

有限元分析原理是將結(jié)構(gòu)連續(xù)的區(qū)域分割成若干個單元，結(jié)構(gòu)的平衡方程根據(jù)力學(xué)平衡條件和加載邊界條件將每個網(wǎng)格單元進(jìn)行重新整合組成，結(jié)構(gòu)力與位移的關(guān)系為[1，2]：

式中：K為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，f為結(jié)構(gòu)的載荷列陣，q為結(jié)構(gòu)節(jié)點的位移列陣。

3 建立有限元模型

基于軟件Hypermesh[3，4]導(dǎo)入輪轂防塵罩的三維模型，抽取其中間面，對其進(jìn)行表面預(yù)處理和幾何清理，填充缺失面，簡化部分區(qū)域，采用3mm的Mixed單元對其中間面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，盡量保證四邊形單元，允許少量的三角形單元。防塵罩的材料為DC04其彈性模量為2.1E+5MPa，泊松比為0.3，密度為7.8E+3kg/m3，屈服強度為160Mpa?；诓牧吓铺柦⒉牧蠈傩圆⑶以O(shè)置厚度為2.5mm，以此建立防塵罩有限元模型如圖1所示。其中單元數(shù)為7611個，節(jié)點數(shù)為7762個。

4 頻率響應(yīng)強度分析

根據(jù)防塵罩有限元模型，采用Nastran軟件[5，6]將其螺栓安裝孔作為激勵點，在其X、Y和Z方向分別加載1.0g的振動加速度，頻率計算范圍為0～200Hz，振動阻尼值為0.1，輸出所有單元的位移和應(yīng)力，以此對其進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，得到防塵罩的振動強度特性。如圖2所示，為防塵罩Y方向的頻率-應(yīng)力曲線。由圖2可知，當(dāng)頻率達(dá)到57Hz時，防塵罩的應(yīng)力達(dá)到峰值。如圖3所示，為防塵罩Y方向的應(yīng)力云圖。由圖3可知，防塵罩的最大應(yīng)力值為54.4MPa，位于其上端邊緣處，低于材料屈服強度。同理得到防塵罩在X方向的最大應(yīng)力為31.6MPa，在Z方向的最大應(yīng)力為40.7MPa，因此防塵罩在X、Y和Z方向的最大應(yīng)力均小于材料許用值，符合振動強度性能設(shè)計要求。

5 重力場強度分析

同樣基于防塵罩的有限元模型，采用Nastran軟件約束其三個螺栓安裝孔的所有自由度，基于GRAV卡片分別加載X方向5G重力場、Y方向5G重力場和Z方向10G重力場，以此對其進(jìn)行靜態(tài)分析。如圖4所示，為防塵罩重力場X方向的應(yīng)力云圖。由圖4可知，其X方向的最大應(yīng)力為12.9MPa，遠(yuǎn)低于材料極限值。如圖5所示，為防塵罩重力場Y方向的應(yīng)力云圖。由圖5可知，其Y方向的最大應(yīng)力為131.5MPa，安全系數(shù)為1.22。如圖5所示，為防塵罩重力場Z方向的應(yīng)力云圖。由圖5可知，其Z方向的最大應(yīng)力為14.3MPa，安全系數(shù)非常高。因此防塵罩在重力場工況下的應(yīng)力值均低于目標(biāo)值，安全系數(shù)超過工程要求值（1.1），滿足靜態(tài)強度性要求。

6 模態(tài)分析

6.1 模態(tài)分析理論

通過模態(tài)性能分析可以得到結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，其運動方程為[7，8]：

式（2）中：[M]為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣;[K]為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣;為結(jié)構(gòu)的加速度向量;{q}為結(jié)構(gòu)的位移向量。

式（2）對應(yīng)的特征值方程為：

式（3）中：ω為結(jié)構(gòu)的固有頻率。通過求解式（3）可以獲取其固有頻率及其振型。

6.2 模態(tài)分析結(jié)果

為了獲取防塵罩的振動特性，基于防塵罩的有限元模型，同樣采用Nastran軟件約束其三個螺栓安裝孔的所有自由度，通過卡片EIGRL設(shè)置其頻率范圍為0～100Hz，得到其前三階的固有頻率分別為41Hz，63Hz和89Hz，均高于發(fā)動機的激勵頻率和路面振動頻率，符合振動性能設(shè)計要求。如圖7所示，為防塵罩第一階模態(tài)陣型，其表現(xiàn)為彎曲。

7 結(jié)論

基于防塵罩的有限元模型，采用頻率響應(yīng)方法對其進(jìn)行振動強度分析，得到其最大應(yīng)力為54.4MPa，再采用重力場方法對其進(jìn)行靜態(tài)強度分析，得到其最大應(yīng)力為131.5MPa，安全系數(shù)為1.22，其強度性能符合設(shè)計要求。約束其螺栓孔，對其進(jìn)行模態(tài)性能分析，得到其前三階的固有頻率分別為41Hz，63Hz和89Hz，滿足動態(tài)特性要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王一瀏.車輪結(jié)構(gòu)—材料一體化輕量化多目標(biāo)優(yōu)化研究[D].長春：吉林大學(xué)，2016.

[2] 吳鐘鳴，徐禮輝，郭語.小型電動汽車車架的設(shè)計與輕量化改進(jìn)[J].現(xiàn)代制造工程，2020（4）：77-82.

[3] 王書賢，薛棟，陳世淋，等.基于HyperMesh的某轎車白車身模態(tài)和剛度分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2019，33（7）：50-57.

[4] 周艷華，史佩，宋巖.基于Hypermesh和Workbench的伺服沖床主傳動連桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2016（3）：232-234.

[5] 吳昊，鐘自鋒.輕卡燃油濾清器支架振動分析及其優(yōu)化設(shè)計[J].機械強度，2019，41（6）：1509-1514.

[6] 陳文芳.某輕型載貨車轉(zhuǎn)向液壺支架斷裂分析及其優(yōu)化[J].機械設(shè)計與研究，2019，35（3）：94-99.

[7] 張文韜，王震虎，方向東，等.基于模態(tài)理論的白車身靜剛度計算方法[J].中國機械工程，2018，29（5）：511-518.

[8] 任軍，嚴(yán)子成，張強豪，等.重載荷RV減速機基于動力學(xué)模型的固有頻率特性及靈敏度分析[J].機械傳動，2019，43（10）：118-122.