袁菁蕓 程航

摘要：以某礦用車駕駛室為研究對象，通過構建有限元分析模型，對駕駛室進行數(shù)值模態(tài)分析，獲取表征動態(tài)特性的數(shù)值模態(tài)參數(shù)值。針對駕駛室一階整體扭轉頻率與發(fā)動機怠速爆發(fā)頻率值接近的問題，對駕駛室靈敏度較高構件進行以板厚為基礎的尺寸結構優(yōu)化。通過優(yōu)化提升駕駛室振動舒適性及安全可靠性。

Abstract： The subject of this paper is one mine truck cab. Numerical modal analysis is conducted by finite element analysis model. Parameter values representing dynamic characteristics can also be obtained. For the issue that first overall torsional frequency was close to engine idle frequency which resulted vibration of the cab. Structure optimization based on plate thickness of sensitive components is discussed in this paper to solve the problem. Vibration comfort and safety reliability can be improved by optimization.

關鍵詞：礦用車;動態(tài)特性;模態(tài)分析;結構優(yōu)化

Key words： mine truck;dynamic characteristics;modal analysis;structure optimization

中圖分類號：TD524? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0050-03

0? 引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟的高速發(fā)展，基建項目的數(shù)量不斷增加，隨之而來的工程作業(yè)量也不斷攀升，工程車輛的使用愈加廣泛。工程礦用車作為非道路用車，其外形結構尺寸較大。而駕駛室作為工程作業(yè)人員的重要工作場所，是礦用車輛的關鍵總成。由于礦用車輛長期在不平路面工作，其作業(yè)環(huán)境較為惡劣且負載變化極為頻繁，導致礦用車的振動舒適性及安全性較差[1-3]。因此研究礦用車駕駛室與外界激振頻率產(chǎn)生動態(tài)干擾的情況，優(yōu)化并改善礦用車駕駛室的動態(tài)特性具有較高的工程價值和實際意義。

本文基于振動理論，在礦用車駕駛室三維模型的基礎上應用有限元軟件構建了駕駛室的有限元模型，通過求解器的仿真運算對礦用車駕駛室的低階模態(tài)進行分析，獲取表征動態(tài)特性的數(shù)值模態(tài)參數(shù)，并從駕駛室模態(tài)振型和低階固有頻率角度構建礦用車駕駛室的模態(tài)評價體系。同時，針對該礦用車駕駛室存在的振動舒適性問題：一階整體扭轉頻率與發(fā)動機怠速爆發(fā)頻率接近，對駕駛室主要部件進行以板厚為基礎的頻率和質量靈敏度分析。在靈敏度分析的基礎上，確定出對駕駛室模態(tài)頻率和質量的敏感件，并通過結構的板厚優(yōu)化方法對駕駛室動態(tài)特性進行優(yōu)化，在不增加礦用車駕駛室整體質量的基礎上實現(xiàn)一階整體扭轉頻率的提高，改善駕駛室的振動舒適性，提高礦用車的安全可靠性，并為其他工程車輛的研發(fā)設計提供參考。

1? 駕駛室有限元分析

1.1 有限元模型構建

本文研究對象的三維模型圖如圖1所示，為偏置式寬體礦用自卸車駕駛室。由于駕駛室涵蓋數(shù)量眾多的結構件、覆蓋件以及部分內外飾件和附件，同時存在的翻遍、小孔以及開口較多，結構較為復雜。這些結構對駕駛室模態(tài)特性分析的影響較小，但對有限元模型網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格質量以及計算分析的經(jīng)濟性影響較大[4]。因此，在不影響駕駛室整體結構力學特性的基礎上對原有模型進行簡化處理，刪減對整體剛度影響較小的相關附件和功能件，簡化結構上的一部分小尺寸構件，保留駕駛室結構件和覆蓋件，簡化處理后的模型如圖2所示。

在進行有限元網(wǎng)格劃分前，由于本文研究的駕駛室覆蓋件是厚度不等的沖壓鋼板，骨架結構件是厚度不等的折彎鋼管，長寬方向尺寸遠大于厚度方向，因此直接對模型進行中面抽取處理。同時，由于格式轉化后的3D模型存在部分信息缺失以及復雜中面抽取時產(chǎn)生缺陷等問題，還需對模型進行幾何清理。清理內容主要包括了重復面的刪除、自由邊的縫合、小孔洞的填補以及缺失面的重構等。在綜合考慮有限元分析精度以及模型計算經(jīng)濟性等問題后，本文確定的單元尺寸大小為5mm，在模型網(wǎng)格劃分時對規(guī)則的矩形鋼管和大面積鋼板使用四節(jié)點的四邊形單元，而對于復雜區(qū)域，則采用四邊形和三角形混合單元的方式進行網(wǎng)格劃分，從而確保單元能與模型實際更相符。

在完成對駕駛室模型的結構簡化、幾何清理、網(wǎng)格劃分、質量檢查與優(yōu)化以及連接方式的模擬后，駕駛室整體最終的有限元模型如圖3所示。該模型共有節(jié)點1239374個，其中四邊形單元1228250個，三角形單元1054個（占總單元的0.08%），剛性單元8967個。

1.2 駕駛室數(shù)值模態(tài)分析

由于礦用車行駛的工況較為復雜，在工作過程中駕駛室常受到各種外部激勵和自身發(fā)動機振動的影響，這不僅會增加駕駛員的疲勞感，還會使駕駛室各部件產(chǎn)生疲勞破壞，降低車輛的使用壽命。因此，利用數(shù)值模態(tài)分析的方法預測礦用車駕駛室固有頻率和模態(tài)振型等動態(tài)特性具有重要意義。

由于車輛工作狀態(tài)的約束條件復雜，因此本文進行礦用車駕駛室自由邊界條件下的數(shù)值模態(tài)分析以掌握其動態(tài)特性。通過檢查編輯模型的材料、建立模型的屬性和載荷集，定義載荷工況等步驟，最終得到的礦用車駕駛室各主要模態(tài)頻率及振型信息如表1，其余均為局部模態(tài)疊加結果，部分模態(tài)振型圖如圖4所示。

通過數(shù)值模態(tài)分析的頻率值結果和振型云圖可知，在該礦用車駕駛室模型的前15階模態(tài)中，有一個頻率為33.41Hz的一階整體扭轉模態(tài)，和一個頻率為45.16Hz的一階整體彎曲模態(tài)，其余均為局部模態(tài)和局部混合模態(tài)，并且駕駛室的振動主要集中在前圍的內外板、頂蓋、駕駛室地板等部位。

1.3 駕駛室數(shù)值模態(tài)分析的評價

本文選用分析評價法對礦用車駕駛室數(shù)值模態(tài)分析結果進行評價。外部激勵對駕駛室產(chǎn)生的振動是各階模態(tài)振型互相疊加的結果，駕駛室所受到的主要外部激勵包括了：發(fā)動機激勵、路面不平度、車輪及傳動軸不平衡激勵等[5]。由于整體的低階模態(tài)對駕駛室振動影響較大，因此動態(tài)特性分析需研究礦用車駕駛室低階模態(tài)頻率和不同外界激勵源頻率及其分量的關系。

發(fā)動機激振頻率對駕駛室的影響隨轉速變化而不同，具體爆發(fā)頻率的計算按下式進行：

式子中n是發(fā)動機轉速，δ是轉速浮動誤差（一般取50r/min），m是發(fā)動機缸數(shù)，本文研究的礦用車發(fā)動機是六缸水冷式發(fā)動機，怠速轉速為600r/min，因此怠速激勵頻率約為27.5～32.5Hz，與數(shù)值模態(tài)分析結果中的一階整體扭轉頻率33.41Hz非常接近;路面不平激勵的常見頻率值為1～3Hz，該值遠小于駕駛室低階模態(tài)頻率分布區(qū);車輪不平衡激勵頻率及其分量基本小于11Hz，且由于制造水平的不斷提升，其影響越來越小。因此，影響該駕駛室動態(tài)特性和振動舒適性的主要是怠速狀態(tài)下產(chǎn)生的同頻振動。

2? 駕駛室結構優(yōu)化

2.1 靈敏度分析

由于該礦用車駕駛室一階整體扭轉頻率與發(fā)動機怠速爆發(fā)頻率接近，是影響駕駛室動態(tài)特性、造成車輛共振、影響舒適性的主要原因，因此本文對該駕駛室進行以板厚為基礎的結構優(yōu)化。由于該駕駛室構件眾多，為了提高優(yōu)化效率，首先應用靈敏度分析的結構動力學修改方法搜索對一階整體扭轉頻率和駕駛室質量的敏感件，得到駕駛室主要部件的抗扭靈敏度和質量靈敏度值。但部分構件對頻率值和構件質量的影響都較大，即板厚變化不僅增加一階整體扭轉頻率值，還會不同程度的增加構件質量，因此為了實現(xiàn)輕量化條件下駕駛室動態(tài)性能的提升，本文引入相對靈敏度來權衡各部件對頻率以及質量的影響關系，具體結果如圖5所示。最終選取30個相對靈敏度分析結果絕對值大于1的部件進行結構優(yōu)化。

2.2 優(yōu)化計算與結果分析

本文定義目標函數(shù)為駕駛室一階整體扭轉頻率值，確定的最終優(yōu)化模型如下：

上式f（x）即目標函數(shù)，x1x2…xn為優(yōu)化設計的變量，xj，xk為尺寸約束，即設計變量的上下限值，Mi為一次優(yōu)化迭代后的總質量值，M為初始駕駛室總質量值。經(jīng)軟件優(yōu)化迭代計算后駕駛室頻率值及總質量變化如圖6和圖7所示。

從圖6、圖7中不難看出，駕駛室一階整體扭轉頻率值在經(jīng)過三次迭代后趨于穩(wěn)定，駕駛室的總質量在迭代過程中整體呈現(xiàn)下降趨勢，綜合輕量化和扭轉頻率值提升的需求，選取第五次迭代結果為最終板件的優(yōu)化尺寸。礦用車駕駛室一階整體扭轉頻率由原來的33.41Hz提升到39.49Hz，質量減少了38kg，優(yōu)化前后礦用車駕駛室各階主要模態(tài)頻率變化如表2所示。

3? 結語

工程車駕駛室是工程車輛的關鍵總成，其動態(tài)性能的優(yōu)劣對車輛的舒適性和安全性有較大的影響。本文以某礦用車駕駛室總成為研究對象，對其動態(tài)特性進行了研究分析，在實現(xiàn)駕駛室輕量化的前提下優(yōu)化了駕駛室一階整體扭轉頻率，提高了駕駛室的振動舒適性和安全可靠性。

參考文獻：

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