某SUV轮辋模态刚度分析与测试验证

袁丁 刘波 邓磊

摘 要：针对某车型18inch轮辋进行有限元仿真建模，并分别分析了轮辋的自由模态、频率响应函数。通过两点法的频响函数，可以求得轮辋的横向刚度。结合实际实验测试，结果表明，轮辋模态和横向刚度的仿真结果与试验结果吻合度较高，误差在5%以内，证明了仿真方法的可行性和正确性;通过该方法，对于轮辋的前期产品设计及改进优化提供参考。

关键词：有限元;频率响应函数;横向刚度

中图分类号：U461.4  文献标识码：B  文章编号：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

汽车工业作为国民经济发展中支柱产业之一，已经越来越占着举足轻重的地位。汽车由很多部件构成，而轮胎为汽车与地面接触的唯一媒介，汽车的许多性能都与轮胎的力学特性相关，而轮辋是车轮上周边安装和支撑轮胎的部件，是轮胎的载体，其各项性能对轮胎和汽车的正常使用具有显著影响。而轮辋的模态及侧向刚度对汽车的路噪、胎噪、操纵稳定性等具有重要的影响作用[1]。

本工作主要通过有限元仿真分析手段，对轮辋进行模态分析，并采用两点法进行频率响应分析（FRF，即Frequency response function），从而进一步得到轮辋的侧向刚度，且通过对轮辋进行模态实验、频响分析实验进一步验证仿真分析的准确性，因此为后续优化分析奠定基础，最终开发出满足相关属性要求的轮辋。

2 轮辋模态刚度有限元仿真分析

有限元仿真分析实现的手段是通过有限元分析软件，由有限元技术的特点，使得有限元的前后处理软件成为一个相对独立而又相当重要的部分。美国Altair公司开发的Hyper -mesh软件被业内公认为优秀的有限元仿真的前后处理器，通过它可以进行有限元模型建模、读取计算结果和进行结果数据后处理分析[2]。

2.1 轮辋仿真模型建立

本研究基于某18寸轮辋的几何模型且重量为11.6Kg，如图1，且定义了轮辋坐标系，轮辋横向为Y，垂向为Z。利用Hypermesh软件进行网格划分，轮辋材料为铸铝。将Catia中的几何数据导入到Hypermesh中进行前处理，进行有限元网格划分时，采用四面体网格进行分析，划分完网格后需检查网格质量，然后建立轮辋的材料参数，属性参数，最后将材料属性参数赋予网格模型。

2.2 轮辋自由模态和频响函数分析

建立好有限元分析后，分别对轮辋进行两种工况分析：自由模态分析及频率响应分析;自由模态工况相对简單，轮辋自由模态频率为其固有频率，提取前六阶柔性体模态结果;对于频率响应分析工况，需定义激励点和响应点，如下图2，且和后期实验验证保持一致，方便后期仿真分析结果和实验进行对标。

2.3 仿真分析结果

在进行轮辋模态仿真分析时，除前六阶刚体模态外，提取了五阶柔性体模态结果，如下图3，而频响分析结果，采用两点法频响分析，当激励点为P1时，分别输出P1和P2两点的加速度，得到两条驱动点P1频响函数FRF（P1到P1、P2两条FRF）;当激励点为P2时，分别输出P1和P2两点的加速度，得到两条驱动点P2频响函数FRF（P2到P1、P2两条FRF）;此时横向激励（Y向）分别得到有四条FRF曲线（P11，P12，P21，P22），第一个下标为激励位置点，第二个下标为响应位置点。如下图4，当测量力的传递率时，才需要P3点，估计轮辋横向刚度时，只需要P1和P2。从而得到虚拟轮心处的驱动点频响函数：

针对轮辋横向刚度，是由横向驱动点频响函数P00计算得到。该方法是基于轮辋的集中质量-弹簧模型。最后的结果单位为kN/mm。轮辋的横向刚度计算公式如下：

其中，M是轮辋的重量，单位是kg;f1是轮辋的第1阶共振频率，f2是轮辋的第1阶反共振频率，频率单位均为Hz;

3 轮辋模态实验与传递函数实验

实验目的为根据测试结果评价轮辋模态、计算轮辋的横向刚度;轮辋的横向刚度对于路噪中的结构声传递来说是非常关键因素。试验前准备，要求测试场地无额外的振动源。测试设备应都位于校准有效期内。轮辋测试坐标系定义如下：垂直向上为Z向，轮辋轴向内侧指向外侧为Y向。

数据采集设备至少需要10个通道，这是因为需要一个激励通道和三个三向加速度传感器响应通道。在实验前对待测的轮辋进行称重，后续计算横向刚度时需要此质量参数。测试时轮辋应处于自由-自由状态下，采用弹性绳进行垂直吊挂，确保轮辋与地面垂直，如图5所示，因测量轮辋横向刚度时，只需要Q1和Q2两点响应即可。两传感器通过热胶粘在轮心的同一侧，激励也在这一侧，安装位置分别标记为Q1和Q2两点。这两个传感器应该位置安装螺栓孔所在的圆周上。

5 结论

本文基于18inch轮辋数据以及相关材料重量参数，进行有限元建模并分析了轮辋的自由模态、频率响应函数，此外采用LMS中的相关模块进行了模态及FRF测试，对比实际结果与仿真计算结果，可以得出：轮辋模态和横向刚度的仿真结果与试验结果吻合度较高，误差在5%以内，证明了该仿真方法的可行性和正确性;通过该方法，对于轮辋的前期产品设计及改进优化提供参考。

参考文献

[1] 王碧玉，孙燕琴，杨茂林，et al.轮胎侧向刚度试验研究[J].轮胎工业， 2010， 30（2）：114-118.

[2] 王强.机械弹性车轮缓冲减振机理分析及其影响因素研究[D]. 2016.