某SUV輪輞模態剛度分析與測試驗證

袁丁 劉波 鄧磊

摘 要：針對某車型18inch輪輞進行有限元仿真建模，并分別分析了輪輞的自由模態、頻率響應函數。通過兩點法的頻響函數，可以求得輪輞的橫向剛度。結合實際實驗測試，結果表明，輪輞模態和橫向剛度的仿真結果與試驗結果吻合度較高，誤差在5%以內，證明了仿真方法的可行性和正確性;通過該方法，對于輪輞的前期產品設計及改進優化提供參考。

關鍵詞：有限元;頻率響應函數;橫向剛度

中圖分類號：U461.4 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）05-110-03

Abstract： Finite element modeling was carried out for a 18inch rim， and the free mode and frequency response functions of the rim were analyzed respectively. By using the frequency response function of two-point method， can get the lateral stiffness of the rim. Combined with the actual experimental test， the results show that the simulation results of the rim mode and lateral stiffness are in good agreement with the experimental results， and the error gap is within 5%， which proves the feasibility and correctness of the simulation method. Through this method， it can provide reference and guidelines for the design and optimization of rim products in the early stage.

Keywords： Finite Element Analysis; Frequency Response Functions; Lateral Stiffness

1 引言

汽車工業作為國民經濟發展中支柱產業之一，已經越來越占著舉足輕重的地位。汽車由很多部件構成，而輪胎為汽車與地面接觸的唯一媒介，汽車的許多性能都與輪胎的力學特性相關，而輪輞是車輪上周邊安裝和支撐輪胎的部件，是輪胎的載體，其各項性能對輪胎和汽車的正常使用具有顯著影響。而輪輞的模態及側向剛度對汽車的路噪、胎噪、操縱穩定性等具有重要的影響作用[1]。

本工作主要通過有限元仿真分析手段，對輪輞進行模態分析，并采用兩點法進行頻率響應分析（FRF，即Frequency response function），從而進一步得到輪輞的側向剛度，且通過對輪輞進行模態實驗、頻響分析實驗進一步驗證仿真分析的準確性，因此為后續優化分析奠定基礎，最終開發出滿足相關屬性要求的輪輞。

2 輪輞模態剛度有限元仿真分析

有限元仿真分析實現的手段是通過有限元分析軟件，由有限元技術的特點，使得有限元的前后處理軟件成為一個相對獨立而又相當重要的部分。美國Altair公司開發的Hyper -mesh軟件被業內公認為優秀的有限元仿真的前后處理器，通過它可以進行有限元模型建模、讀取計算結果和進行結果數據后處理分析[2]。

2.1 輪輞仿真模型建立

本研究基于某18寸輪輞的幾何模型且重量為11.6Kg，如圖1，且定義了輪輞坐標系，輪輞橫向為Y，垂向為Z。利用Hypermesh軟件進行網格劃分，輪輞材料為鑄鋁。將Catia中的幾何數據導入到Hypermesh中進行前處理，進行有限元網格劃分時，采用四面體網格進行分析，劃分完網格后需檢查網格質量，然后建立輪輞的材料參數，屬性參數，最后將材料屬性參數賦予網格模型。

2.2 輪輞自由模態和頻響函數分析

建立好有限元分析后，分別對輪輞進行兩種工況分析：自由模態分析及頻率響應分析;自由模態工況相對簡單，輪輞自由模態頻率為其固有頻率，提取前六階柔性體模態結果;對于頻率響應分析工況，需定義激勵點和響應點，如下圖2，且和后期實驗驗證保持一致，方便后期仿真分析結果和實驗進行對標。

2.3 仿真分析結果

在進行輪輞模態仿真分析時，除前六階剛體模態外，提取了五階柔性體模態結果，如下圖3，而頻響分析結果，采用兩點法頻響分析，當激勵點為P1時，分別輸出P1和P2兩點的加速度，得到兩條驅動點P1頻響函數FRF（P1到P1、P2兩條FRF）;當激勵點為P2時，分別輸出P1和P2兩點的加速度，得到兩條驅動點P2頻響函數FRF（P2到P1、P2兩條FRF）;此時橫向激勵（Y向）分別得到有四條FRF曲線（P11，P12，P21，P22），第一個下標為激勵位置點，第二個下標為響應位置點。如下圖4，當測量力的傳遞率時，才需要P3點，估計輪輞橫向剛度時，只需要P1和P2。從而得到虛擬輪心處的驅動點頻響函數：

針對輪輞橫向剛度，是由橫向驅動點頻響函數P00計算得到。該方法是基于輪輞的集中質量-彈簧模型。最后的結果單位為kN/mm。輪輞的橫向剛度計算公式如下：

其中，M是輪輞的重量，單位是kg;f1是輪輞的第1階共振頻率，f2是輪輞的第1階反共振頻率，頻率單位均為Hz;

3 輪輞模態實驗與傳遞函數實驗

實驗目的為根據測試結果評價輪輞模態、計算輪輞的橫向剛度;輪輞的橫向剛度對于路噪中的結構聲傳遞來說是非常關鍵因素。試驗前準備，要求測試場地無額外的振動源。測試設備應都位于校準有效期內。輪輞測試坐標系定義如下：垂直向上為Z向，輪輞軸向內側指向外側為Y向。

數據采集設備至少需要10個通道，這是因為需要一個激勵通道和三個三向加速度傳感器響應通道。在實驗前對待測的輪輞進行稱重，后續計算橫向剛度時需要此質量參數。測試時輪輞應處于自由-自由狀態下，采用彈性繩進行垂直吊掛，確保輪輞與地面垂直，如圖5所示，因測量輪輞橫向剛度時，只需要Q1和Q2兩點響應即可。兩傳感器通過熱膠粘在輪心的同一側，激勵也在這一側，安裝位置分別標記為Q1和Q2兩點。這兩個傳感器應該位置安裝螺栓孔所在的圓周上。

5 結論

本文基于18inch輪輞數據以及相關材料重量參數，進行有限元建模并分析了輪輞的自由模態、頻率響應函數，此外采用LMS中的相關模塊進行了模態及FRF測試，對比實際結果與仿真計算結果，可以得出：輪輞模態和橫向剛度的仿真結果與試驗結果吻合度較高，誤差在5%以內，證明了該仿真方法的可行性和正確性;通過該方法，對于輪輞的前期產品設計及改進優化提供參考。

參考文獻

[1] 王碧玉，孫燕琴，楊茂林，et al.輪胎側向剛度試驗研究[J].輪胎工業， 2010， 30（2）：114-118.

[2] 王強.機械彈性車輪緩沖減振機理分析及其影響因素研究[D]. 2016.