龔俊奇

基于有限元法的某商用車駕駛室力學(xué)性能仿真研究

龔俊奇

（江鈴汽車股份有限公司 產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330001）

文章基于有限元法，采用Nastran軟件，對(duì)某商用車駕駛室系統(tǒng)進(jìn)行了CAE模態(tài)，彎曲扭轉(zhuǎn)剛度和強(qiáng)度分析，結(jié)果顯示，駕駛室前四階模態(tài)有效避開了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率，而彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)，駕駛室四工況下最大塑性應(yīng)變達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)，綜合評(píng)估該商用車駕駛室力學(xué)性能符合設(shè)計(jì)要求。

商用車；駕駛室；力學(xué)性能

1 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，商用車銷量得到迅猛增長(zhǎng)，由于其經(jīng)濟(jì)性和便利性，已經(jīng)成為運(yùn)輸貨物的必然選擇[1]。目前輕卡行業(yè)駕駛室主要形式為平頭駕駛室，駕駛室本體結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度需保證設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，其對(duì)乘員的安全保障有著直接決定性影響[2-3]，因此，研究駕駛室系統(tǒng)力學(xué)性能具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

本文基于有限元法，采用Hyperworks和Nastran及ADAMS軟件，對(duì)某商用車駕駛室系統(tǒng)進(jìn)行了CAE模態(tài)分析，得到其前四階模態(tài)，均有效避開了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率，同時(shí)進(jìn)行了駕駛室彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度分析，得到其彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，最后，進(jìn)行了駕駛室CAE強(qiáng)度分析，在輪胎上抬工況，對(duì)扭工況，轉(zhuǎn)彎工況，制動(dòng)工況下，駕駛室最大塑性應(yīng)變均小于目標(biāo)值，綜合評(píng)估該商用車駕駛室系統(tǒng)力學(xué)性能符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 駕駛室CAE模態(tài)分析

2.1 駕駛室有限元模型

本文采用Hyperworks軟件，對(duì)某商用車駕駛室系統(tǒng)進(jìn)行了建模，網(wǎng)格大小6mm鈑金材料為DC系列，彈性模量E為210000MPa，泊松比為0.3，玻璃材料彈性模量為71000 MPa，泊松比為0.25，前風(fēng)窗玻璃與鈑金采用玻璃膠模擬，點(diǎn)焊單元選擇Spot單元，駕駛室重量300kg（未含乘員質(zhì)量），駕駛室有限元模型如圖1所示。

圖1 某商用車駕駛室FEA模型

2.2 駕駛室CAE模態(tài)分析

本文對(duì)某商用車駕駛室進(jìn)行了自由模態(tài)分析，模態(tài)計(jì)算截取頻率段為0-60Hz，得到圖2所示的駕駛室前四階頻率和振型，匯總后如表1所示，其中一階模態(tài)頻率為20Hz，為駕駛室一階彎曲模態(tài)，二階模態(tài)頻率為30Hz，為駕駛室頂棚局部呼吸模態(tài)，三階模態(tài)頻率值為35Hz，為駕駛室扭轉(zhuǎn)模態(tài)，四階模態(tài)頻率值為42Hz，為駕駛室呼吸及前圍局部模態(tài)，前四階模態(tài)都避開了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率26Hz，達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖2 某商用車駕駛室自由模態(tài)分析結(jié)果

3 駕駛室CAE剛度分析

3.1 駕駛室CAE彎曲剛度分析

本文對(duì)某商用車駕駛室進(jìn)行了彎曲剛度分析，加載邊界條件如圖3所示，其中載荷加載點(diǎn)位于駕駛室地板兩側(cè)，加載區(qū)域?yàn)?0mm乘以50mm，在車身與車架連接處約束全自由度，載荷大小F=3000N。

本文按照上述邊界條件加載后，計(jì)算出如圖4所示的駕駛室彎曲剛度結(jié)果，左側(cè)和右側(cè)最大位移呈現(xiàn)對(duì)稱現(xiàn)象，經(jīng)過計(jì)算得到表1所示的駕駛室剛度值K=5800N/mm，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)（K>4500N/mm）。

圖3 駕駛室彎曲剛度分析加載邊界示意圖

3.2 駕駛室CAE扭轉(zhuǎn)剛度分析

本文對(duì)某商用車駕駛室進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)剛度分析，加載邊界條件如圖5所示，其中載荷加載點(diǎn)位于駕駛室后側(cè)對(duì)稱位置，加載區(qū)域?yàn)?0mm乘以50mm，在車身與車架連接處約束全自由度，載荷大小F=2000N。

圖5 駕駛室扭轉(zhuǎn)剛度分析加載邊界示意圖

本文按照上述條件，對(duì)某商用車駕駛室進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)剛度分析，得到如圖6所示的分析結(jié)果，其中測(cè)量點(diǎn)最大位移為2.4mm，得出此駕駛室扭轉(zhuǎn)剛度T=10886Nm/deg，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)（T>9800Nm/deg）。

4 駕駛室CAE強(qiáng)度分析

本文對(duì)某商用車駕駛室進(jìn)行了強(qiáng)度分析，輸入載荷為ADAMS計(jì)算的車身硬點(diǎn)處載荷，工況為車輪上抬工況，對(duì)扭工況，轉(zhuǎn)彎工況和制動(dòng)工況，強(qiáng)度模型如圖7所示。

圖7 駕駛室強(qiáng)度模型

本文按照上述強(qiáng)度工況，對(duì)駕駛室進(jìn)行分析，得到如圖8所示的計(jì)算結(jié)果，在Case1車輪上抬工況，駕駛室最大塑性應(yīng)變值PEEQ為0.038%，在Case2對(duì)扭工況，駕駛室最大塑性應(yīng)變值PEEQ為0.033%，在Case3轉(zhuǎn)彎工況，駕駛室最大塑性應(yīng)變值PEEQ為0.101%，而在制動(dòng)工況，駕駛室最大塑性應(yīng)變值PEEQ為0.113%，均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求（最大塑性應(yīng)變PEEQ<0.5%）。

5 結(jié)論

本文基于有限元法，采用Nastran軟件，對(duì)某商用車駕駛室系統(tǒng)進(jìn)行了CAE模態(tài)，彎曲扭轉(zhuǎn)剛度和強(qiáng)度分析，結(jié)果顯示：

（1）駕駛室前四階模態(tài)振型分別為一階彎曲模態(tài)，二階頂棚呼吸模態(tài)，三階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，四階前圍呼吸模態(tài)，其頻率值均有效避開了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率；

（2）駕駛室彎曲剛度K=5800N/mm，扭轉(zhuǎn)剛度值T= 10886Nm/deg，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)要求；

（3）駕駛室在車輪上抬工況，對(duì)扭工況，轉(zhuǎn)彎工況和制動(dòng)工況下，其最大塑性應(yīng)變值遠(yuǎn)小于0.5%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)；

綜合評(píng)估該商用車駕駛室系統(tǒng)力學(xué)性能符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1] 周冬龍.基于虛擬迭代的某輕卡后橋疲勞分析研究[D].山西:中北大學(xué),2019.

[2] 雷飛,李貴濤.高強(qiáng)度鋼在商用車正碰安全性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究 [J].機(jī)械強(qiáng)度,2017,39(1):71-78.

[3] 龔紅兵.海南汽車試驗(yàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)強(qiáng)化系數(shù)的計(jì)算[J].汽車研究與開發(fā),1997,26(1):35-39.

Simulation Study on Mechanical Properties of a Commercial Vehicle Cab

Gong Junqi

( Product Development & Technical Center, Jiangling Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330001 )

In this paper, base on the finite element method and Nastran software, the CAE model, bending and torsional stiffness and strength analysis of a commercial vehicle cab system are carried out. The results show that the first four models of the cab effectively avoid the idle frequency of the engine, while the bending and torsional stiffness meet the design objectives. And the maximum plastic strain of the cab under four working conditions achieves the design goal, so the commercial vehicle cab is comprehensively evaluated. The mechanical properties of the cab meet the design requirements.

Commercial vehicle; Cab;Mechanical properties

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.028

U463.81

A

1671-7988(2021)02-87-03

U463.81

A

1671-7988(2021)02-87-03

龔俊奇，就職于江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心。