王志斌，于明，趙堅，洪學武，劉海強，劉聰，寧凡

（天津城建大學a.控制與機械工程學院；b.計算機與信息工程學院，天津300384）

0 引 言

平地機駕駛艙是駕駛員操縱平地機工作的活動空間，是平地機操作系統(tǒng)的總平臺，其自身的振動特性和駕駛舒適性將直接影響平地機整體的運行狀況及駕駛員的操作舒適度，并最終影響平地機正常使用的工作效率[1-3]。通常，平地機的駕駛艙只依據(jù)其靜態(tài)特性進行設計與制造，只要求駕駛艙結(jié)構(gòu)滿足一定的剛度、強度和穩(wěn)定性即可，但在平地機正常工作過程中還要考慮到駕駛艙及平地機自身的動態(tài)特性，減少駕駛艙在平地機工作過程中由于振動而引起的結(jié)構(gòu)變形等情況，因此在設計平地機駕駛艙時更需要考慮其動態(tài)特性[4]。

本文就某型號平地機駕駛艙結(jié)構(gòu)振動及結(jié)構(gòu)合理性的問題，利用ANSYS軟件對平地機駕駛艙進行了計算模態(tài)分析，為鑒定平地機駕駛艙結(jié)構(gòu)是否完善和判斷其結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)提供依據(jù)，并為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下基礎[5]。

1 模態(tài)分析理論

振型和固有頻率是表達振動系統(tǒng)特性的重要參量，是影響平地機駕駛艙動態(tài)結(jié)構(gòu)設計的重要參數(shù)[6]。對于平地機駕駛艙這樣具有多自由度的大型振動系統(tǒng)，若求出其全部的振型和固有頻率是極其困難的，系統(tǒng)較低的若干階固有頻率與相應的振型對其動態(tài)響應的影響最大，因此在研究平地機駕駛艙系統(tǒng)的振動響應時往往只需了解少數(shù)的振型和固有頻率[7]。在振動分析中，研究結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的一種普遍方法就是計算模態(tài)分析[8]。對駕駛艙結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析可以得出結(jié)構(gòu)振動的固有形態(tài)，其根本表達的是剛度分布特性，鑒于駕駛艙阻尼小而剛度大，因此在有限元模型中采用無阻尼自由振動系統(tǒng)[9]。模態(tài)分析的最終目標是識別出平地機駕駛艙系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為平地機駕駛艙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、故障診斷等的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

2 駕駛艙有限元模型的建立

某平地機駕駛艙簡化平面圖如圖1所示。

為使駕駛艙能夠合理地進行有限元分析，盡可能地簡化駕駛艙模型，且為使駕駛艙有限元模型網(wǎng)格劃分更方便，駕駛艙結(jié)構(gòu)的圓角和倒角處畫成直角， 按照1:1 比例用SolidWorks軟件設計出駕駛艙三維模型，如圖2所示。

本文將實體模型導入至ANSYS中。為保障平地機駕駛艙具有足夠的壽命、可靠性，以及防止產(chǎn)生共振，需要對其進行相應的模態(tài)分析，從而錯開平地機駕駛艙的固有頻率和激勵源的頻率[10]。駕駛艙結(jié)構(gòu)材料如表1所示。

選擇Solid65 單元進行網(wǎng)格劃分，由于模型結(jié)構(gòu)對稱，故而選擇FREE網(wǎng)格劃分，得到單元數(shù)為15 023，節(jié)點數(shù)為6817，如圖3所示。

表1 駕駛艙結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3 駕駛艙模態(tài)分析

由于自由模態(tài)分析可得到結(jié)構(gòu)本身的固有特性，憑此可進行故障診斷及優(yōu)化設計，所以本文先進行自由模態(tài)分析。

3.1 自由模態(tài)分析

因發(fā)動機在最大轉(zhuǎn)速時的激勵頻率為40 Hz，所以設置模態(tài)分析頻率取值范圍為0～200 Hz，進行求解運算，取駕駛艙前4階模態(tài)，模態(tài)頻率如表2所示，模態(tài)振型顯示如圖4所示。

由表2可知，最大變形發(fā)生在145.9 Hz附近，此時駕駛艙車門與車窗之間的兩側(cè)板左右劇烈擺動，嚴重時會導致側(cè)板斷裂。

表2 駕駛艙自由模態(tài)計算結(jié)果

3.2 約束模態(tài)分析

駕駛艙結(jié)構(gòu)的約束模態(tài)分析，即在駕駛艙底側(cè)4個螺孔處添加固定約束，模態(tài)分析的頻率范圍取0～500 Hz，得到駕駛艙前4階模態(tài)數(shù)據(jù)如表3所示，振型如圖5所示。

由表3可知，駕駛艙約束模態(tài)中的第2階駕駛艙左右劇烈振動，由于駕駛艙底部受約束固定不動，所以最終振型圖呈現(xiàn)出的結(jié)果是駕駛艙兩側(cè)板被壓彎，且此時變形量最大且最容易引起疲勞時效，故判定此處為駕駛艙的薄弱環(huán)節(jié)，需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

表3 駕駛艙約束模態(tài)計算結(jié)果

4 結(jié)語

1）自由模態(tài)分析時，最大振幅在第4階振型（此時駕駛艙左右擺動），駕駛艙兩側(cè)板處易發(fā)生變形；第2階振型頻率與發(fā)動機的建立頻率相近，易發(fā)生共振現(xiàn)象，設計時應避免此現(xiàn)象發(fā)生。

2）平地機駕駛艙約束模態(tài)分析時，第2、3階振型相近（此時駕駛艙左右振動），會造成駕駛艙兩側(cè)板彎曲變形，且是最大變形處，故認為該處為駕駛艙最薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)對平地機駕駛艙進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論基礎。

3）通過平地機駕駛艙的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，從理論上找到了各階固有頻率和振型，為接下來平地機駕駛艙的創(chuàng)新設計提供了較為全面的數(shù)據(jù)參考。