田鈺楠 蔡甫 郝琪 陳宏煌 孫艷明

摘? ?要：以某國產(chǎn)重型車以塑代鋼的導(dǎo)流罩為研究對象，基于廠方提出規(guī)避22～28 Hz振動頻率的技術(shù)要求對導(dǎo)流罩進行優(yōu)化設(shè)計.建立導(dǎo)流罩有限元模型，根據(jù)原設(shè)計方案在規(guī)避頻率段的振型特點，在不改變注塑件本體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，首先進行導(dǎo)流罩支撐結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計，避開振動頻率區(qū)間（22～28 Hz）.然后在考慮振動特性的基礎(chǔ)上，以支撐結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流罩頂面、肋和導(dǎo)流罩側(cè)面的厚度為設(shè)計變量，進行以輕量化為目標(biāo)的尺寸優(yōu)化.結(jié)果表明導(dǎo)流罩避開了振動頻率區(qū)間，質(zhì)量減輕了3.12%且剛度強度均滿足要求.

關(guān)鍵詞：重卡;導(dǎo)流罩;模態(tài)分析;尺寸優(yōu)化

中圖分類號：U463.8? ? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.01.012

0? ? 引言

重型車載貨量大，實際使用的車速、荷載增加，使得耗油量不斷增大.導(dǎo)流罩是裝在載貨汽車或牽引汽車的駕駛室頂部的空氣導(dǎo)流裝置，可以有效地減小汽車在高速行駛時受到的空氣阻力并降低油耗量.國內(nèi)外對于導(dǎo)流罩的研究主要集中在導(dǎo)流罩外流場和導(dǎo)流罩外形方面[1-2]，對導(dǎo)流罩振動特性及輕量化的研究較少.導(dǎo)流罩發(fā)生共振后，會引起導(dǎo)流罩振動劇烈，影響結(jié)構(gòu)壽命，極大的影響駕駛員駕駛注意力，對重型車的行駛安全產(chǎn)生影響.

某國產(chǎn)重型車導(dǎo)流罩為適應(yīng)輕量化要求，進行以塑料代玻璃鋼的改型設(shè)計，使導(dǎo)流罩本體質(zhì)量降低41%，設(shè)計滿足廠方結(jié)構(gòu)強度及輕量化指標(biāo)要求.但該導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)在車輛怠速時發(fā)生共振，根據(jù)廠方要求，需避開發(fā)動機轉(zhuǎn)速在450～600 r/min區(qū)間時的振動頻率區(qū)間（22～28 Hz）[3-5].本文首先從工程快速解決問題的角度出發(fā)，提出了一種不改變注塑模具的導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計方案;進一步利用尺寸優(yōu)化數(shù)值計算方法，通過輕量化設(shè)計得到基本動靜態(tài)性能全面符合設(shè)計要求的導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)，為后期改型設(shè)計提供依據(jù).

1? ? 有限元模型的建立

1.1? ?網(wǎng)格處理

導(dǎo)流罩的內(nèi)部分布有整體加強肋和2個主加強肋.通過與支座連接的前后兩根鋼管進行自身結(jié)構(gòu)加強和與車身駕駛室的連接，如圖1所示.外形尺寸為1 925 mm×859 mm×615 mm，總質(zhì)量為21.35 kg.

采用平均單元尺寸5 mm×5 mm的2D四邊形單元劃分導(dǎo)流罩有限元網(wǎng)格，連接部位細化網(wǎng)格為3 mm×3 mm.網(wǎng)格質(zhì)量滿足業(yè)內(nèi)CAE標(biāo)準(zhǔn)[6].導(dǎo)流罩與駕駛室頂部、導(dǎo)流罩本體與支撐桿等部件均采用1D剛性模擬螺栓單元的連接.

1.2? ?材料及零部件參數(shù)

導(dǎo)流罩主要的材料為PP+30%GF、PA6+30%GF和Q235.其中主體采用樹脂中密度最小的PP材料，極大地減小了導(dǎo)流罩的質(zhì)量.加強肋使用強度及剛度性能更好的PA6材料.兩種材料中均添加30%的玻璃纖維，可提高材料的力學(xué)性能、穩(wěn)定性、耐熱性、耐老化性等[7-8].導(dǎo)流罩支撐構(gòu)件使用金屬材料Q235.為保證構(gòu)件有足夠的強度，強度計算中取安全因數(shù)為1.3，導(dǎo)流罩的材料具體性能見表1.

1.3? ?工況條件

汽車相對于空氣運動時，空氣作用力在行駛方向形成的分力稱為空氣阻力.本文只討論無風(fēng)條件下汽車的運動，即式（1）[9]：

式中，A為沿汽車行駛方向上的投影面積;CD為某重型車的風(fēng)阻系數(shù)，取0.535;[ua]為車速，高速公路上重型車行駛的最高車速為100 km/h[10].由于本文未考慮風(fēng)速，考慮到高速行駛重型車的車速和試車測試時，出現(xiàn)因強度問題引起的破壞現(xiàn)象，所以取較大的安全系數(shù)，提高安全系數(shù)20%[11]，[ua]取120 km/h.約束導(dǎo)流罩與駕駛室接觸面的垂直方向自由度，約束導(dǎo)流罩安裝點全部自由度.

2? ? 導(dǎo)流罩基本性能分析

2.1? ?靜態(tài)性能分析

靜態(tài)性能考慮自重，施加120 km/h的風(fēng)載.最大應(yīng)力處為支撐結(jié)構(gòu)與固定件接觸處，如圖2所示.最大應(yīng)力為50.6 MPa，該處材料為Q235，許用應(yīng)力為? ? ? ?180 MPa，導(dǎo)流罩本體最大應(yīng)力為11.9 MPa，許用應(yīng)力為55 MPa，均有較大的安全裕度;最大位移變形? ?5.54 mm，在廠方合格范圍內(nèi).

2.2? ?振動特性分析

約束模態(tài)下，原設(shè)計的固有頻率中第三階和第四階的固有頻率位于22～28 Hz之間，分別為22.59 Hz和25.91 Hz，且第五階極為靠近28 Hz.其振型圖如圖3—圖5所示.第三階振型主要表現(xiàn)為最高頂面中心位置處的振幅較大;第四階振型的最大振幅出現(xiàn)在頂面中部，均體現(xiàn)為一階彎曲，這與結(jié)構(gòu)設(shè)計緊密相關(guān)，頂面中心位置是距離支撐最遠的地方，剛度較弱;第五階振型圖與第三階振型圖類似，在中間偏兩邊振幅較大.

3? ? 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)改進

考慮塑模成本問題，導(dǎo)流罩本體結(jié)構(gòu)先不宜更改.根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，加強該頻率范圍內(nèi)振型最大處的支撐.方案1結(jié)合第三階振型圖特點，在上支撐結(jié)構(gòu)中心位置上添加兩個三角撐來提高剛度，如圖6所示.方案2根據(jù)第三、四階振型特點，在導(dǎo)流罩中間和邊緣處添加了兩根鋼管，欲減小兩處中間的彎曲變形來提高剛度，如圖7所示.

對方案1和方案2與原方案進行對比分析，靜態(tài)性能分析如表2.表3對比了兩種方案約束模態(tài)下的振動特性.

方案1和方案2強度和位移均滿足要求.從仿真結(jié)果看，方案1起到了提高結(jié)構(gòu)剛度的作用，但原低階頻率也落到設(shè)計需規(guī)避的范圍內(nèi)，且階數(shù)增加.方案2極大地提高了剛度質(zhì)量比，使得各階頻率有較大的提高，但仍有一階頻率落在需規(guī)避區(qū).

綜上所述，由于方案2中增加了一部分結(jié)構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)質(zhì)量仍在廠方許可范圍內(nèi)，但使得導(dǎo)流罩質(zhì)量增加了12.9%;方案2在中間的支撐結(jié)構(gòu)，受到風(fēng)阻后對支撐結(jié)構(gòu)有一個向下的壓力，在鋼管的連接處集中，導(dǎo)致此處的應(yīng)力增大近50%，但在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi).為了實現(xiàn)輕量化的目的，同時規(guī)避設(shè)計頻率區(qū)域段，需對整體結(jié)構(gòu)進行尺寸優(yōu)化.

4? ? 導(dǎo)流罩尺寸優(yōu)化

4.1? ?設(shè)計要求

本次尺寸優(yōu)化在方案2的基礎(chǔ)上，選取4個設(shè)計變量，分別為鋼管、導(dǎo)流罩頂面、主加強肋和導(dǎo)流罩側(cè)面的厚度，厚度的變換范圍為原始模型的厚度尺寸±20%，精度為0.1 mm.設(shè)計約束為避開22～28 Hz，設(shè)計目標(biāo)為總質(zhì)量最小化.具體設(shè)計變量如表4所示.

4.2? ?優(yōu)化結(jié)果分析

利用OptiStruct求解器，最終經(jīng)過3步迭代步得到的結(jié)果滿足要求.各部分厚度變化見表5，由表5可知尺寸全部減小，其中鋼管厚度降低達到33.3%.對導(dǎo)流罩進行靜態(tài)性能分析，具體參數(shù)對比如表6.

優(yōu)化后導(dǎo)流罩質(zhì)量為20.682 kg，實現(xiàn)了輕量化的目標(biāo).最大位移減小，剛度滿足要求.對各種材料的Vonmises 進行查看，如表7所示.導(dǎo)流罩本體材料為PP+30%GF和PA6+30%GF，原始模型所受最大應(yīng)力為17.6 MPa，優(yōu)化后減小到15.2 MPa，一部分力由支撐鋼管承受，所以支撐鋼管與駕駛室連接處依然是應(yīng)力相對較大處，最大值為77.5 MPa，但強度均滿足要求.

優(yōu)化后的頻率對比如表8所示.由于部件厚度減小，單位質(zhì)量的剛度相對于方案2有所降低，優(yōu)化后的二階頻率降低到21.93 Hz ，經(jīng)過尺寸優(yōu)化后導(dǎo)流罩的在約束模態(tài)的固有頻率已經(jīng)全部避開了22～28 Hz頻率段，滿足設(shè)計要求，這也減少了方案2中的過大的安全域度.優(yōu)化方案的質(zhì)量相對方案2降低了14.2%，在規(guī)避了振動問題后，相對于原方案質(zhì)量也減少了3.1%.

5? ? 結(jié)論

1）通過對導(dǎo)流罩進行基本振動特性的有限元分析，掌握各頻率振動特點，可以為改進設(shè)計指明方向.

2）在導(dǎo)流罩本體結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，通過增加支撐鋼管結(jié)構(gòu)，雖可以在工程中快速解決問題，但相對剛度過大，質(zhì)量增加偏大.

3）綜合考慮結(jié)構(gòu)特點，利用尺寸優(yōu)化，在增加支撐剛度基礎(chǔ)上，通過合理的剛度分布，降低二階頻率，有效地避開22～28 Hz振動區(qū)間并減輕總質(zhì)量，相對原方案質(zhì)量減輕了3.12%且剛度強度均滿足要求.

4）本文主要對導(dǎo)流罩進行性能分析，缺少試驗結(jié)果的驗證，僅具有理論參考意義.本文的研究方法為工程中解決基本振動問題提供一種解決思路.

參考文獻

[1]? ? 李迎新，杜廣生.STEYR991郵政車導(dǎo)流罩空氣阻力的風(fēng)洞試驗研究[J].陜西汽車，1997（1）：13-17.

[2]? ? 汪孛.集裝箱運輸貨車氣動附加裝置的優(yōu)化研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2010.

[3]? ? 郝琪，吳勝軍.天龍商用車駕駛室動靜態(tài)性能的數(shù)值分析[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2009，26（6）：7-11.

[4]? ? 陳連云，蔣國平.車輛動力傳動系扭轉(zhuǎn)振動特性的分析[J].廣西工學(xué)院學(xué)報，2005，16（1）：19-22.

[5]? ? 侯富，向宇.某商用車低轉(zhuǎn)速時的頂棚NVH性能優(yōu)化[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2017，28（4）：49-55.

[6]? ? 吳道俊.車輛疲勞耐久性分析、試驗與優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[7]? ? 何瑋頔.基于長玻璃纖維增強尼龍6復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與服役行為研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2016.

[8]? ? 段召華，付祥，陳弦，等.長玻璃纖維增強聚丙烯[J].高分子材料科學(xué)與工程，2010，26（4）：124-130.

[9]? ? 陳磊，楊楊，葛勝迅.基于道路和轉(zhuǎn)轂滑行的空氣阻力系數(shù)求解方法[J].汽車零部件，2018（1）：46-48.

[10]? 李強.按車型限速的必要性探析[J].中國公路，2018（6）：30-31.

[11]? 張輝，李春梅，鄭麗珠.重卡導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究[J].汽車實用技術(shù)，2015（1）：85-88.