譚國輝

摘 要：為了驗證某皮卡輪轂防塵罩的性能，首先建立防塵罩的有限元模型，然后采用頻率響應方法和重力場方法對其進行強度分析，分析結果表明其最大應力值均小于材料屈服值，滿足強度性能設計要求。再對其進行約束模態(tài)分析，分析結果表明其前三階頻率均高于振動頻率，符合動態(tài)特性要求。

關鍵詞：防塵罩;有限元;頻率響應;強度;模態(tài)

中圖分類號：U463.345 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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

輪轂防塵罩是汽車車輪系統(tǒng)重要的部件，其通過螺栓安裝在輪轂上，其主要起防止異物在行駛過程中對輪轂產生碰撞和磨損，還具有吸音降噪的作用，與此同時，防塵罩對車輛的制動性能也有著重要影響，因此其性能的優(yōu)劣直接影響汽車的安全性與舒適性。防塵罩在不同路況下，將受到各種激勵振動，若其強度性能偏弱，將產生開裂故障，若其模態(tài)性能不足，將產生共振風險，因此其強度性能和模態(tài)性能是否符合設計要求，直接關系著汽車的可靠性。

為了驗證某皮卡輪轂防塵罩的強度性能和模態(tài)性能，首先采用有限元方法建立其網格模型，然后分別采用頻率響應方法和重力場方法對其進行強度性能分析，再對其進行模態(tài)性能分析，以此得到其應力分布和模態(tài)頻率。

2 有限元分析原理

有限元分析原理是將結構連續(xù)的區(qū)域分割成若干個單元，結構的平衡方程根據力學平衡條件和加載邊界條件將每個網格單元進行重新整合組成，結構力與位移的關系為[1，2]：

式中：K為結構的剛度矩陣，f為結構的載荷列陣，q為結構節(jié)點的位移列陣。

3 建立有限元模型

基于軟件Hypermesh[3，4]導入輪轂防塵罩的三維模型，抽取其中間面，對其進行表面預處理和幾何清理，填充缺失面，簡化部分區(qū)域，采用3mm的Mixed單元對其中間面進行網格劃分，盡量保證四邊形單元，允許少量的三角形單元。防塵罩的材料為DC04其彈性模量為2.1E+5MPa，泊松比為0.3，密度為7.8E+3kg/m3，屈服強度為160Mpa?；诓牧吓铺柦⒉牧蠈傩圆⑶以O置厚度為2.5mm，以此建立防塵罩有限元模型如圖1所示。其中單元數為7611個，節(jié)點數為7762個。

4 頻率響應強度分析

根據防塵罩有限元模型，采用Nastran軟件[5，6]將其螺栓安裝孔作為激勵點，在其X、Y和Z方向分別加載1.0g的振動加速度，頻率計算范圍為0～200Hz，振動阻尼值為0.1，輸出所有單元的位移和應力，以此對其進行頻率響應分析，得到防塵罩的振動強度特性。如圖2所示，為防塵罩Y方向的頻率-應力曲線。由圖2可知，當頻率達到57Hz時，防塵罩的應力達到峰值。如圖3所示，為防塵罩Y方向的應力云圖。由圖3可知，防塵罩的最大應力值為54.4MPa，位于其上端邊緣處，低于材料屈服強度。同理得到防塵罩在X方向的最大應力為31.6MPa，在Z方向的最大應力為40.7MPa，因此防塵罩在X、Y和Z方向的最大應力均小于材料許用值，符合振動強度性能設計要求。

5 重力場強度分析

同樣基于防塵罩的有限元模型，采用Nastran軟件約束其三個螺栓安裝孔的所有自由度，基于GRAV卡片分別加載X方向5G重力場、Y方向5G重力場和Z方向10G重力場，以此對其進行靜態(tài)分析。如圖4所示，為防塵罩重力場X方向的應力云圖。由圖4可知，其X方向的最大應力為12.9MPa，遠低于材料極限值。如圖5所示，為防塵罩重力場Y方向的應力云圖。由圖5可知，其Y方向的最大應力為131.5MPa，安全系數為1.22。如圖5所示，為防塵罩重力場Z方向的應力云圖。由圖5可知，其Z方向的最大應力為14.3MPa，安全系數非常高。因此防塵罩在重力場工況下的應力值均低于目標值，安全系數超過工程要求值（1.1），滿足靜態(tài)強度性要求。

6 模態(tài)分析

6.1 模態(tài)分析理論

通過模態(tài)性能分析可以得到結構的動態(tài)特性，其運動方程為[7，8]：

式（2）中：[M]為結構的質量矩陣;[K]為結構的剛度矩陣;為結構的加速度向量;{q}為結構的位移向量。

式（2）對應的特征值方程為：

式（3）中：ω為結構的固有頻率。通過求解式（3）可以獲取其固有頻率及其振型。

6.2 模態(tài)分析結果

為了獲取防塵罩的振動特性，基于防塵罩的有限元模型，同樣采用Nastran軟件約束其三個螺栓安裝孔的所有自由度，通過卡片EIGRL設置其頻率范圍為0～100Hz，得到其前三階的固有頻率分別為41Hz，63Hz和89Hz，均高于發(fā)動機的激勵頻率和路面振動頻率，符合振動性能設計要求。如圖7所示，為防塵罩第一階模態(tài)陣型，其表現為彎曲。

7 結論

基于防塵罩的有限元模型，采用頻率響應方法對其進行振動強度分析，得到其最大應力為54.4MPa，再采用重力場方法對其進行靜態(tài)強度分析，得到其最大應力為131.5MPa，安全系數為1.22，其強度性能符合設計要求。約束其螺栓孔，對其進行模態(tài)性能分析，得到其前三階的固有頻率分別為41Hz，63Hz和89Hz，滿足動態(tài)特性要求。

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