基于有限元模拟钢圈的自由模态与试验分析*

袁龙锋，徐武彬，李 冰

(广西科技大学机械工程学院，广西柳州 545000)

0 引言

汽车已成为人们的代步工具，由于车轮一般在随机载荷的工况下工作，汽车行驶时，车轮受到了弯曲载荷和交变扭转载荷［1］，所以车轮必须要有足够的疲劳寿命和强度，以便达到汽车的安全使用寿命周期的要求。因此在车轮的设计和研发中最关注的问题就是车轮的强度和疲劳寿命这方面的问题，即车轮在规定的使用寿命之内没有发生任何的疲劳破坏［2］。深入研究车轮的不同自由模态对结构强度的影响，是研究解决上述问题的一种有效方法。

1 钢圈自由模态的有限元分析

研究分析钢圈的振动特性主要试验测试法和有限元分析法［3］两种方法。有限元分析法通过运用有限元相关软件，在计算机的辅助下完成对钢圈的固有频率和振型的计算，计算结果在一定的误差允许范围内。笔者利用UG对钢圈进行三维建模。把钢圈的UG模型通过接口导入到ANSYS-WORKBENCH有限元分析软件［4］中进行材料的定义、网格的划分、由于分析的是钢圈的自由模态，所以钢圈不受到任何载荷和约束的边界条件等，最后计算出钢圈的前十阶的自由模态的固有频率和相对应的振型。如图1所示为计算出钢圈的自由模态的前十阶的固有频率和阵型图。

图1 钢圈的前十阶自由模态的振型图

2 试验测试

在对钢圈进行自由模态分析试验测试时，要求被测钢圈不受任何约束，处于自由状态下。本次试验是通过把钢圈放在刚度小，柔软性较好的的轮胎上面，是钢圈处于一个自由状态下。采用LMS数据采集前端的Signature模块对钢圈进行测试，分别在钢圈的轮辐、轮辋、弹性挡圈等表面取了32采集点，每次布置八个三向加速度传感器在相应的测试点处，然后分别采集各个测试点的加速度信号，分四次测完。如图2。如表1为前16阶固有频率及振型特征。

图2 钢圈的试验测试

表1 前6阶固有频率及振型特征

实验数据经处理后，得到钢圈前四阶非刚体固有频率，前述有限元法计算得前十阶固有频率，前六阶为钢圈刚体固有频率，数值都约等于0，后四阶为非刚体固有频率，对比试验和有限元分析得出钢圈前四阶非刚体固有频率及振型特征。

3 结论

(1)模态试验分析得出的结果与有限元计算的结果在允许的误差范围内，说明该钢圈有限元计算模型和模态试验的正确性。

(2)从前四阶钢圈的非刚体振型特性来看，钢圈主要是以弯扭及扭转振动形式为主。

(3)通过对钢圈进行自由模态的分析，可有效指导模态试验，并且能够较好地为解决一些工程实际问题提供有效的帮助。

［1］ 钟翠霞．铝合金车轮设计及结构分析［D］:杭州:浙江大学，2006．

［2］ 郄彦辉．铝合金车轮的结构分析及优化［D］．天津:河北工业大学，2003．

［3］ 谷安涛，常国振．汽车车架设计计算的有限元法［J］．汽车技术，1997(6):2-4．

［4］ 张红兵．曲轴有限元自由模态分析［J］．车用发动机，1996(2):2-3．