某皮卡轮毂防尘罩强度与模态性能分析

谭国辉

摘 要：为了验证某皮卡轮毂防尘罩的性能，首先建立防尘罩的有限元模型，然后采用频率响应方法和重力场方法对其进行强度分析，分析结果表明其最大应力值均小于材料屈服值，满足强度性能设计要求。再对其进行约束模态分析，分析结果表明其前三阶频率均高于振动频率，符合动态特性要求。

关键词：防尘罩;有限元;频率响应;强度;模态

中图分类号：U463.345  文献标识码：A  文章编号：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

轮毂防尘罩是汽车车轮系统重要的部件，其通过螺栓安装在轮毂上，其主要起防止异物在行驶过程中对轮毂产生碰撞和磨损，还具有吸音降噪的作用，与此同时，防尘罩对车辆的制动性能也有着重要影响，因此其性能的优劣直接影响汽车的安全性与舒适性。防尘罩在不同路况下，將受到各种激励振动，若其强度性能偏弱，将产生开裂故障，若其模态性能不足，将产生共振风险，因此其强度性能和模态性能是否符合设计要求，直接关系着汽车的可靠性。

为了验证某皮卡轮毂防尘罩的强度性能和模态性能，首先采用有限元方法建立其网格模型，然后分别采用频率响应方法和重力场方法对其进行强度性能分析，再对其进行模态性能分析，以此得到其应力分布和模态频率。

2 有限元分析原理

有限元分析原理是将结构连续的区域分割成若干个单元，结构的平衡方程根据力学平衡条件和加载边界条件将每个网格单元进行重新整合组成，结构力与位移的关系为[1，2]：

式中：K为结构的刚度矩阵，f为结构的载荷列阵，q为结构节点的位移列阵。

3 建立有限元模型

基于软件Hypermesh[3，4]导入轮毂防尘罩的三维模型，抽取其中间面，对其进行表面预处理和几何清理，填充缺失面，简化部分区域，采用3mm的Mixed单元对其中间面进行网格划分，尽量保证四边形单元，允许少量的三角形单元。防尘罩的材料为DC04其弹性模量为2.1E+5MPa，泊松比为0.3，密度为7.8E+3kg/m3，屈服强度为160Mpa。基于材料牌号建立材料属性并且设置厚度为2.5mm，以此建立防尘罩有限元模型如图1所示。其中单元数为7611个，节点数为7762个。

4 频率响应强度分析

根据防尘罩有限元模型，采用Nastran软件[5，6]将其螺栓安装孔作为激励点，在其X、Y和Z方向分别加载1.0g的振动加速度，频率计算范围为0～200Hz，振动阻尼值为0.1，输出所有单元的位移和应力，以此对其进行频率响应分析，得到防尘罩的振动强度特性。如图2所示，为防尘罩Y方向的频率-应力曲线。由图2可知，当频率达到57Hz时，防尘罩的应力达到峰值。如图3所示，为防尘罩Y方向的应力云图。由图3可知，防尘罩的最大应力值为54.4MPa，位于其上端边缘处，低于材料屈服强度。同理得到防尘罩在X方向的最大应力为31.6MPa，在Z方向的最大应力为40.7MPa，因此防尘罩在X、Y和Z方向的最大应力均小于材料许用值，符合振动强度性能设计要求。

5 重力场强度分析

同样基于防尘罩的有限元模型，采用Nastran软件约束其三个螺栓安装孔的所有自由度，基于GRAV卡片分别加载X方向5G重力场、Y方向5G重力场和Z方向10G重力场，以此对其进行静态分析。如图4所示，为防尘罩重力场X方向的应力云图。由图4可知，其X方向的最大应力为12.9MPa，远低于材料极限值。如图5所示，为防尘罩重力场Y方向的应力云图。由图5可知，其Y方向的最大应力为131.5MPa，安全系数为1.22。如图5所示，为防尘罩重力场Z方向的应力云图。由图5可知，其Z方向的最大应力为14.3MPa，安全系数非常高。因此防尘罩在重力场工况下的应力值均低于目标值，安全系数超过工程要求值（1.1），满足静态强度性要求。

6 模态分析

6.1 模态分析理论

通过模态性能分析可以得到结构的动态特性，其运动方程为[7，8]：

式（2）中：[M]为结构的质量矩阵;[K]为结构的刚度矩阵;为结构的加速度向量;{q}为结构的位移向量。

式（2）对应的特征值方程为：

式（3）中：ω为结构的固有频率。通过求解式（3）可以获取其固有频率及其振型。

6.2 模态分析结果

为了获取防尘罩的振动特性，基于防尘罩的有限元模型，同样采用Nastran软件约束其三个螺栓安装孔的所有自由度，通过卡片EIGRL设置其频率范围为0～100Hz，得到其前三阶的固有频率分别为41Hz，63Hz和89Hz，均高于发动机的激励频率和路面振动频率，符合振动性能设计要求。如图7所示，为防尘罩第一阶模态阵型，其表现为弯曲。

7 结论

基于防尘罩的有限元模型，采用频率响应方法对其进行振动强度分析，得到其最大应力为54.4MPa，再采用重力场方法对其进行静态强度分析，得到其最大应力为131.5MPa，安全系数为1.22，其强度性能符合设计要求。约束其螺栓孔，对其进行模态性能分析，得到其前三阶的固有频率分别为41Hz，63Hz和89Hz，满足动态特性要求。

参考文献

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