鄧習(xí)樹，邵 威

（三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410100）

車輛在行駛過程中，由于路面不平、車速及運(yùn)動方向的變化、發(fā)動機(jī)和傳動系的激勵，極易引起整車和局部的振動，并引起較大的噪聲，不僅影響駕駛員的注意力、判斷力、操作精準(zhǔn)度，而且影響車體部件的強(qiáng)度及使用壽命，嚴(yán)重時甚至造成駕駛室及車體結(jié)構(gòu)的損壞，帶來經(jīng)濟(jì)及安全危害。

工程車輛工作環(huán)境復(fù)雜，更易發(fā)生破壞，駕駛員更易感到疲勞［1］。如果工程車輛駕駛室的固有頻率或靜剛度不合理，在外界激勵作用下會產(chǎn)生駕駛室整體彎曲或扭轉(zhuǎn)振動，同時也會引起部分板件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部振動。當(dāng)激勵頻率與駕駛室結(jié)構(gòu)固有頻率吻合或接近引起共振時，可造成駕駛室結(jié)構(gòu)損壞及內(nèi)部低頻噪聲。因此，合理控制工程車輛駕駛室的模態(tài)特性及靜剛度，可以較好的改善由車身結(jié)構(gòu)引起的車內(nèi)噪聲，同時避免產(chǎn)生共振。

文章以國內(nèi)某工程車輛駕駛室為研究對象，采用有限元分析軟件MSC.Nastran獲取其固有頻率及對應(yīng)振型，討論駕駛室在外部激勵作用下產(chǎn)生共振的可能性；通過扭轉(zhuǎn)及彎曲剛度的計(jì)算并與相關(guān)車型進(jìn)行對比，分析駕駛室結(jié)構(gòu)的合理性，為其優(yōu)化改進(jìn)提供指導(dǎo)和幫助。

1 駕駛室有限元模型的建立

某工程車輛駕駛室長1910mm，寬2450mm，高2100mm，由頂蓋、前圍、側(cè)圍、后圍、地板5大總成組成，共100余種零件，見圖1。

圖1 某工程車輛駕駛室示意圖

由于原駕駛室較重（超過1t），并且客戶對造型提出新要求，因此需要對新設(shè)計(jì)的駕駛室進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，看是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本文采用前處理軟件Altair hypermesh對該駕駛室進(jìn)行有限元建模，在保證模型與原始結(jié)構(gòu)一致的同時進(jìn)行了必要的簡化，忽略對整體模態(tài)影響不大的小尺寸結(jié)構(gòu)如門鎖、鉸鏈等。由于駕駛室主要結(jié)構(gòu)均為薄板沖壓成型，通常采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格離散，單元形態(tài)以四邊形為主，單元尺寸10mm，單元質(zhì)量嚴(yán)格按照表1控制［1］。

表1 單元質(zhì)量檢查規(guī)范

由于車身薄板沖壓件之間主要通過點(diǎn)焊連接在一起，為了準(zhǔn)確模擬車身零件之間的連接，提高建模的準(zhǔn)確性、減小計(jì)算誤差，本文根據(jù)焊點(diǎn)位置，采用ACM進(jìn)行點(diǎn)焊模擬。ACM焊接是一種特殊的焊接方法（Area Contact Method），由一個六面體單元（PSOLID）和RBE3單元組成，更能準(zhǔn)確模擬焊點(diǎn)信息，不會增加局部的剛度［2-4］。按照前面描述的有限元建模和網(wǎng)格劃分基本原則，該駕駛室的有限元模型如圖1所示，共包含節(jié)點(diǎn)463173個，單元455991個，其中三角形單元20157個，不到單元總數(shù)的5%，焊點(diǎn)3187個。

圖2 駕駛室有限元模型

2 駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

工程車輛駕駛室為非承載式結(jié)構(gòu)，僅是自重、座椅質(zhì)量和成員質(zhì)量在內(nèi)的小部分載荷作用，且懸架和減振系統(tǒng)具有較好的緩沖、減振作用，但外界低階振動通過大梁仍能傳遞至駕駛室，降低其舒適性。因此，對駕駛室白車身進(jìn)行模態(tài)分析，得到其固有振動特性如振動頻率和模態(tài)，在設(shè)計(jì)時盡量避開外界激勵頻率，降低引起共振的可能性。本文采用自由——自由邊界條件，對白車身不施加任何約束和加載條件，采用MSC.Nastran有限元分析軟件的Lanczos方法進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，提取前8階模態(tài)，第1階模態(tài)振型圖如圖3所示，各階固有頻率及振型描述見表2所示。

圖3 駕駛室第1階振型圖

表2 各階固有頻率及振型描述

根據(jù)圖2和表2，分析如下：

（1）發(fā)動機(jī)引起的激振由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和缸數(shù)決定，該車使用6缸四沖程發(fā)動機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速控制在550±50r/min之間，對應(yīng)的怠速激勵頻率在27.5±2.5Hz之間，而該駕駛室的第1階扭轉(zhuǎn)頻率為23.5Hz，避開了發(fā)動機(jī)怠速激勵頻率，不易產(chǎn)生共振；正常行駛時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速約為2000r/min，對應(yīng)工作頻率100Hz，遠(yuǎn)大于駕駛室低階模態(tài)頻率，正常行駛時不會引起共振。

（2）路面激勵通常由道路條件決定，在速度低于60km/h下由路面不平引起的激勵頻率，一般城市路面為1～3Hz，未鋪裝路面多在10Hz以下。該工程車輛駕駛室第1階固有頻率23.5Hz，遠(yuǎn)高于此激勵頻率，不易產(chǎn)生共振。

（3）車輪不平衡引起的激勵頻率一般低于11Hz，且激勵分量較小，白車身第1階固有頻率與此激勵頻率相差10Hz，不易產(chǎn)生共振。

根據(jù)上述分析，該駕駛室在主要外界激勵頻率作用下不易產(chǎn)生共振，動態(tài)性能較好，但多處局部模態(tài)表現(xiàn)為頂蓋外板和側(cè)圍外板局部變形，主要是由于結(jié)構(gòu)處無支撐形成空腔、且沒有沖壓形成凹槽，導(dǎo)致剛度不足，建議粘貼阻尼層。

3 靜力分析

承載或半承載車身，通常采用強(qiáng)度和剛度2項(xiàng)指標(biāo)評價其靜力學(xué)性能，然而對于該工程車輛駕駛室為非承載式結(jié)構(gòu)，由于車架承擔(dān)了主要的載荷，駕駛室僅承受自重約500kg、非模型化車身部件的質(zhì)量300kg、座椅質(zhì)量約50kg和乘員約75kg在內(nèi)的小部分載荷，強(qiáng)度需求較小［5］。通常滿足剛度要求確定的結(jié)構(gòu)可同時滿足強(qiáng)度要求。因此，本文通過計(jì)算扭轉(zhuǎn)及彎曲工況的剛度，評價其靜力學(xué)性能。

3.1 扭轉(zhuǎn)工況

當(dāng)車輛低速通過凹凸不平路面時，由于車輪發(fā)生上下錯動，產(chǎn)生反對稱垂直載荷作用在車身上，車輛處于扭轉(zhuǎn)工況，車身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。駕駛室的扭轉(zhuǎn)特性可以近似地看作是靜態(tài)的，通常采用扭轉(zhuǎn)剛度表征車身抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力，計(jì)算公式如下［6］：

式中 GI——駕駛室整體扭轉(zhuǎn)剛度，N·m/°；

M——駕駛室所受扭矩，N·m；

φ—— 扭轉(zhuǎn)工況下駕駛室前后軸的相對扭轉(zhuǎn)角，°；

F——施加載荷，N；

L——施加載荷間距離，mm；

s——測量點(diǎn)間距離，m；

Δs1、Δs2——測量點(diǎn)垂直變形，mm。

為了獲取駕駛室扭轉(zhuǎn)剛度，文章約束駕駛室后懸置處XYZ 3個方向平動自由度，在左前懸置和右前懸置處分別施加一對方向相反的垂直載荷，根據(jù)ECER29法規(guī)《關(guān)于商用車駕駛室成員保護(hù)批準(zhǔn)車輛的統(tǒng)一規(guī)定》中，商用車駕駛室頂蓋強(qiáng)度的試驗(yàn)方法和性能要求大小均為1000N。扭轉(zhuǎn)工況下駕駛室的垂向變形云圖如圖4所示，駕駛室測量點(diǎn)位移分別為0.774mm、-0.769mm，計(jì)算得到該駕駛室的扭轉(zhuǎn)剛度為30114N·m/°。由于目前尚無明確的評價指標(biāo)，參考典型中等尺寸轎車的扭轉(zhuǎn)剛度為8000～10000N·m/（°）［6］，考慮到轎車車身為承載式車身，剛度應(yīng)較非承載式車身剛度值較大，因此文章分析的工程車輛駕駛室的扭轉(zhuǎn)剛度較大，抗扭轉(zhuǎn)變形能力強(qiáng)。

圖4 扭轉(zhuǎn)工況下垂向變形云圖

3.2 彎曲工況

彎曲工況是反映車輛行駛在較好路面的情況，載荷均勻分布在車身響應(yīng)部位，彎曲剛度的大小表征的是其抵抗彎曲變形的能力。通常假設(shè)駕駛室是1個具有均勻彎曲剛度的梁，則彎曲剛度的計(jì)算公式為［7］

文章計(jì)算彎曲工況下駕駛室的彎曲剛度時，主要考慮駕駛室在滿載（2名乘員和2個座椅）情況下的彎曲情況，約束前懸置的xyz平動自由度及后懸置的yz平動自由度，在左、右地板縱梁中間對應(yīng)座椅安裝處各作用一大小為1000N向下的力。分析得到彎曲工況下駕駛室的垂向變形云圖如圖5所示。

圖5 彎曲工況下垂向變形云圖

根據(jù)圖5分析可知，加載位置（兩側(cè)座椅安裝處）的變形量最大，分別為0.397mm、0.388mm，根據(jù)式（2）計(jì)算得到該駕駛室的彎曲剛度為5108N/mm。由于駕駛室彎曲剛度還沒有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，參考同類型卡車的彎曲剛度1568.63N/mm［8］，該工程車輛駕駛室白車身彎曲剛度值優(yōu)于此卡車彎曲剛度，說明本文駕駛室白車身彎曲剛度值較大，抗彎曲變形能力較強(qiáng)。

4 結(jié)束語

文章建立了某工程車輛駕駛室白車身結(jié)構(gòu)有限元模型，通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)駕駛室頂蓋等局部結(jié)構(gòu)存在薄弱環(huán)節(jié)，提出了改進(jìn)建議和解決方案，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

對駕駛室進(jìn)行靜力分析，通過剛度分析獲取該駕駛室在彎曲和扭轉(zhuǎn)2種典型靜態(tài)工況下的剛度，并與同類型駕駛室比較，得出該工程車輛駕駛室抗彎曲及抗扭轉(zhuǎn)能力優(yōu)于參考車輛的結(jié)論。

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