李劍喬

摘要：以鋁合金汽車輪轂為研究對(duì)象，本文首先通過ABAQUS軟件對(duì)輪轂進(jìn)行幾何建模，然后對(duì)輪轂進(jìn)行有限元模型建立，通過靜力學(xué)分析得到其最大應(yīng)力為213MPa，符合鋁合金性能要求，最后運(yùn)用模態(tài)分析模塊得到整車的固有頻率及振型，計(jì)算分析結(jié)果表明輪轂結(jié)構(gòu)的固有頻率能有效避開各種激勵(lì)頻率，避免反生共振，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)合理性。

Abstract： Taking the aluminum alloy wheel hub as the research object， this paper firstly uses ABAQUS software to geometrically model the wheel hub， and then sets up the finite element model of the wheel hub. Through static analysis， the maximum stress is 213 MPa， which meets the aluminum alloy performance requirements， and finally uses the mold. The state analysis module obtains the natural frequency and mode shape of the whole vehicle. The calculation and analysis results show that the natural frequency of the hub structure can effectively avoid various excitation frequencies， avoid the anti-resonance， and verify the rationality of its design.

關(guān)鍵詞：汽車輪轂;有限元分析;模態(tài)分析

Key words： wheel hub;finite element analysis;modal analysis

0? 引言

輪轂是輪胎內(nèi)支撐輪胎的中心裝在軸上的金屬部件，其不僅需要承受車輛自重及載重作用壓力，還需承受車輛在行駛過程中由于轉(zhuǎn)向和路面狀況等不同情況下帶來的不同方向的作用力。輪轂結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜受力情況以及輪轂的結(jié)構(gòu)形狀給研究工作帶來很多困難[1]。模態(tài)分析可以用作分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及振動(dòng)特性，它是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，也是驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性非常重要的一個(gè)組成部分[2]。模態(tài)分析是機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析的有效手段，它通過分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性建立結(jié)構(gòu)在已知激勵(lì)條件下的響應(yīng)預(yù)測模型，進(jìn)而預(yù)測結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)特性。本文以汽車某型輪轂為對(duì)象，利用ABAQUS分析軟件對(duì)其進(jìn)行有限元建模以及靜力學(xué)分析驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的合理性，最后對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，通過得到的其前6階模態(tài)與振型顯示結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)合理性，也為對(duì)輪轂的進(jìn)一步分析優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1? 有限元模型的建立

1.1 輪轂的結(jié)構(gòu)模型

本文直接使用ABAQUS對(duì)該輪轂?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行有限元建模以及后處理。三維建模過程中，對(duì)結(jié)構(gòu)的一些局部細(xì)微特征如輪轂與主軸連接端上的螺栓孔、比較小的倒角和圓角等可以進(jìn)行簡化，這些特征對(duì)分析結(jié)果的精確度影響并不大，且這些結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致有限元分析的時(shí)間加長可以對(duì)這些局部特征進(jìn)行簡化[3]。

1.2 材料屬性的定義

根據(jù)汽車輪轂材料為鋁合金7050-T7451，在ABAQUS軟件中設(shè)置其彈性模量為66GPa，泊松比為0.3，密度為2700kg/m3。

1.3 網(wǎng)格劃分

在有限元分析中，對(duì)有限元模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分是對(duì)分析結(jié)果影響最大且最直接的一個(gè)步驟。在對(duì)輪轂?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)輪輞部分使用六面體單元進(jìn)行掃掠生成，對(duì)輪輻部分使用四面體單元自適應(yīng)生成，共計(jì)40178個(gè)單元。建立好的模型網(wǎng)格如圖1所示。

1.4 輪轂的靜強(qiáng)度分析

考慮的輪轂在和包括輪轂自重以及來自汽車的重力載荷，慣性載荷等。為了簡化計(jì)算，只需根據(jù)IEC61400-1制定的載荷工況來計(jì)算作用在輪轂上的載荷。而輪轂上靜壓力作用的位置為整個(gè)輪輻外圈，作用大小約為2.4MPa。所得分析結(jié)果如圖2所示。

從輪轂的應(yīng)力分析云圖中可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪輞圓周遠(yuǎn)離輪輻的區(qū)域，其最大應(yīng)力值為213MPa，小于輪轂材料的許用應(yīng)力503MPa，該輪轂設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

2? 模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析理論

汽車輪轂是鏈接制動(dòng)鼓（制動(dòng)盤）、輪盤和半軸的重要零部件，同時(shí)車體產(chǎn)生的震動(dòng)也會(huì)傳遞到輪轂上，所以在對(duì)輪轂進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有必要對(duì)起進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，來判斷其固有頻率是否與車架等其他部件的固有頻率重合，避免產(chǎn)生共振，引起輪轂失效破壞[4]。

在模態(tài)分析中，系統(tǒng)的外部激勵(lì)Ft=0，阻尼C=0。此時(shí)振動(dòng)方程為

由于自由振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上個(gè)點(diǎn)的振幅不全為0，可以求出矩陣特征值ω和特征向量X。

2.2 模態(tài)分析與計(jì)算

模態(tài)分析通常用作測試結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，通過所得測試結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，盡量避免結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)共振現(xiàn)象導(dǎo)致結(jié)構(gòu)功能失效[5]。

在輪轂的實(shí)際使用情景中，輪轂通過法蘭盤將螺栓與螺紋孔進(jìn)行連接，故只需對(duì)所有螺紋孔進(jìn)行全位移約束即可。預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析時(shí)考慮載荷產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，在對(duì)鋁合金輪轂進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析時(shí)，只需在前文ABAQUS有限元靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上加入模態(tài)分析模塊，即可計(jì)算出輪轂的各階振型、頻率、最大變形量。計(jì)算的模態(tài)振型階數(shù)為前6階，得到的相應(yīng)振型圖如圖3至圖8所示。相對(duì)應(yīng)的固有頻率如表1所示。

從振型圖中可以看出，對(duì)于鋁合金輪轂，其1階振型為上、下振動(dòng)，2階振型為左、右振動(dòng)，3～4階振型主要為前后振動(dòng)，5～6階振型主要為扭振。

本文中輪轂所對(duì)應(yīng)的汽車類型為小型乘用車，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為800r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下的頻率約為26.7Hz。由表1可知輪轂的各階頻率均避開了怠速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率。該輪轂的一階固有頻率為219.87Hz，遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下的頻率。當(dāng)車在高速公路（車速90～120km/h）和一般路面（車速50～80km/h）行駛時(shí)其傳動(dòng)軸不平衡引起的振動(dòng)頻率范圍在40Hz～100Hz之間，由表1可知本文給出的幾個(gè)輪轂?zāi)B(tài)均在100Hz以上，未出現(xiàn)頻率重合避免發(fā)生共振。高速和一般路面激勵(lì)一般在1～3Hz，與輪轂?zāi)B(tài)無交錯(cuò)。由于輪胎的不平衡所引起的激勵(lì)相對(duì)影響較小，所以此處可以不作考慮。由上述分析結(jié)果可知，該輪轂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)其各階固有頻率能夠避開在汽車行駛過程中所常見的激勵(lì)，各階固有頻率分布合理，避免了發(fā)生共振的可能性，故驗(yàn)證了輪轂設(shè)計(jì)的合理性。

3? 結(jié)論

本文通過對(duì)汽車某型輪轂的有限元模型建立，并利用ABAQUS分析得到了汽車輪轂的強(qiáng)度分析結(jié)果以及前6階固有頻率和其對(duì)應(yīng)振型，分析結(jié)果表明該輪轂?zāi)B(tài)分布合理，且能避開汽車行駛中常遇到的激勵(lì)，避免發(fā)生共振，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性。達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期、降低成本、提高產(chǎn)品可靠性的目的。為NVH性能優(yōu)化提供了有效的參考依據(jù)。

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