一種輕型商用車駕駛室結(jié)構(gòu)有限元分析

徐中明 ，劉洪光 ，蘇 昱

（1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030;2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030；3.長(zhǎng)安福特馬自達(dá)汽車有限公司，重慶 401120）

一種輕型商用車駕駛室結(jié)構(gòu)有限元分析

徐中明1,2，劉洪光2，蘇 昱3

（1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030;2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030；3.長(zhǎng)安福特馬自達(dá)汽車有限公司，重慶 401120）

針對(duì)某輕型商用車駕駛室的振動(dòng)和結(jié)構(gòu)安全等問(wèn)題，采用了CAE技術(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。首先建立了駕駛室有限元模型并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，計(jì)算得到駕駛室的各階模態(tài)和振動(dòng)特性，為駕駛室結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考，避免駕駛室在外在激烈震動(dòng)下產(chǎn)生共振。運(yùn)用了MSC.NASTRAN軟件對(duì)駕駛室在靜態(tài)彎曲工況和靜態(tài)扭轉(zhuǎn)工況下的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析計(jì)算，得到駕駛室在彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下的剛度值和最大應(yīng)力值，最后得出駕駛室不會(huì)發(fā)生破壞的結(jié)論，同時(shí)找出了駕駛室在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力集中區(qū)域，為駕駛室結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了參考。

駕駛室；有限元模型；結(jié)構(gòu)模態(tài)；靜力分析

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程逐步推進(jìn)，各種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)不斷升溫，物流需求進(jìn)一步加大，輕型商用車因靈活實(shí)用、輕質(zhì)低耗、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)逐漸在城鄉(xiāng)普及。當(dāng)前，輕型商用車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象逐步加重。多數(shù)輕型商用車駕駛室在復(fù)雜工況時(shí)噪聲大、振動(dòng)大，不僅影響駕駛員的注意力、判斷力、操作精準(zhǔn)度，而且影響車體及車體部件的強(qiáng)度和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至造成駕駛室的結(jié)構(gòu)破壞，給經(jīng)濟(jì)效益和道路安全帶來(lái)巨大影響。在現(xiàn)階段，如何在低成本、短周期的前提下，有效改善商用車的結(jié)構(gòu)安全性和乘坐舒適性正成為各車輛生產(chǎn)廠家最關(guān)注的核心問(wèn)題。

當(dāng)前以邊界元、有限元等數(shù)值分析方法為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬分析技術(shù)——計(jì)算機(jī)輔助工程即CAE技術(shù)在車輛的各種模擬和分析中被廣泛應(yīng)用，如汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)力與疲勞分析、動(dòng)力學(xué)特性分析到碰撞模擬、塑性變形分析、聲場(chǎng)特性分析等，包括汽車設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。汽車還未制造出來(lái)，我們就可以對(duì)整車的特性作詳細(xì)的了解[1]。這樣不但可以減少大量的實(shí)車實(shí)驗(yàn)，顯著降低開(kāi)發(fā)成本，而且還可以在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而縮短開(kāi)發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，在設(shè)計(jì)階段，對(duì)該輕型商用車駕駛室進(jìn)行有限元分析并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯得尤其重要。本文針對(duì)某輕型商用車駕駛室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。

2 駕駛室有限元模型的建立

2.1 幾何模型及材料選取

本駕駛室的結(jié)構(gòu)模型三維模型如圖1所示。

圖1 1475型輕型商用車駕駛室?guī)缀文Ｐ?/p>

駕駛室所用材料為08AL碳素鋼，08AL是優(yōu)質(zhì)冷沖壓薄板鋼中的Al脫氧鎮(zhèn)靜鋼冷軋板。主要用于制造4mm以下的各種冷沖壓構(gòu)件，如車身、駕駛室、各種儀表及機(jī)器外殼等，其材料特性參數(shù)如表1所示。

表1 駕駛室材料特性

將該輕型商用車駕駛室?guī)缀文Ｐ蛨D轉(zhuǎn)換為IGS格式，導(dǎo)入Hypermesh有限元前處理軟件中，為建立駕駛室有限元模型奠定基礎(chǔ)。

2.2 幾何模型清理及單元選取

幾何模型清理是運(yùn)用Hypermesh建立有限元模型的第一步，在三維幾何模型中，由相對(duì)獨(dú)立的線段組成零件各曲面的邊界，相鄰的曲面間沒(méi)有共用邊界線；在進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換時(shí)，曲面與曲面之間可能出現(xiàn)重合、交錯(cuò)和縫隙等各種缺陷，影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量，從而導(dǎo)致求解精度下降。另外，原始幾何模型中常常還包含一些結(jié)構(gòu)的細(xì)小特征，例如曲面和邊的倒角、小孔等，在有限元模型建立時(shí)如果完全模擬這些特征，就必須考慮眾多小尺寸單元，使得有限元求解時(shí)間大大增加。所以，在實(shí)際運(yùn)用軟件計(jì)算時(shí)，為保證求解快速有效，要先刪除多余的線和點(diǎn)以及許多重合的面；再刪除模型中倒角、小圓孔等小特征；另外由于在三維幾何模型導(dǎo)入時(shí)可能還會(huì)丟失面，所以還必須做一些補(bǔ)面工作。

由于駕駛室主要由大的鋼板覆蓋件焊裝而成，這些板件的厚度尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長(zhǎng)寬等其他尺寸，因此駕駛室網(wǎng)格單元主要選取PSHELL（殼單元）形式。在劃分單元之前先選擇QI optimize子面板，在edit criteria內(nèi)設(shè)置單元?jiǎng)澐值南鄳?yīng)標(biāo)準(zhǔn)，如min size(單元最小長(zhǎng)度)、max length(單 元 最 大 長(zhǎng) 度)、max angle quad (四 邊 形 最 大 角)、min angle quad(四邊形最小角)、aspect ratio(長(zhǎng)寬比)、warpage(翹曲度)等，以便進(jìn)行單元質(zhì)量檢查。

駕駛室有限元模型主要采用四邊形殼單元和三角形殼單元混合形式，在網(wǎng)格劃分中以四邊形單元為主，三角形單元占所有單元比例不超過(guò)5%，網(wǎng)格單元尺寸為8mm。

2.3 焊點(diǎn)處理與網(wǎng)格劃分

輕型商用車駕駛室通常由薄板沖壓件焊裝而成，部件間力和位移的傳遞主要通過(guò)焊點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在Hypermesh前處理軟件中，常常通過(guò)CWELD單元來(lái)模擬實(shí)際的焊點(diǎn)，CWELD焊點(diǎn)單元的建立是在connectors的spot子面板下進(jìn)行的。按照前面描述的幾何清理步驟和網(wǎng)格劃分方法，建立了該駕駛室的有限元模型如圖2.2所示。此有限元模型共包含節(jié)點(diǎn)280778個(gè)，網(wǎng)格279902個(gè)，焊點(diǎn)1434個(gè)。

圖2 駕駛室有限元模型圖

3 駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，用于反映模態(tài)特征的參數(shù)稱為模態(tài)參數(shù)，包括固有頻率、阻尼和振動(dòng)特型等。每一階模態(tài)都有與之對(duì)應(yīng)的模態(tài)參數(shù)，各階模態(tài)的疊加結(jié)果就是結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性[2]。結(jié)構(gòu)的模態(tài)可以通過(guò)模態(tài)計(jì)算或試驗(yàn)分析的方法得到[3]。將上節(jié)所得到的駕駛室有限元模型導(dǎo)入MSC.Patran進(jìn)行前處理后再提交Nastran進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到駕駛室的前9階模態(tài)，其中，前3階為局部模態(tài)，整體模態(tài)從25.207開(kāi)始。

圖3至圖6所示為前4階模態(tài)振型圖，自由模態(tài)的計(jì)算結(jié)果如表2所示：

圖3 駕駛室一階計(jì)算模態(tài)振型圖

圖4 駕駛室二階計(jì)算模態(tài)振型圖

圖5 駕駛室三階計(jì)算模態(tài)振型圖

圖6 駕駛室四階計(jì)算模態(tài)振型圖

表2 駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)特征

（1）前三階主要為中間隔板，后中間板和后下部板的局部模態(tài)，頻率基本符合。六、七、九階模態(tài)頻率范圍內(nèi)，駕駛室前圍、頂蓋、右側(cè)板等部位有較大的變形。分析原因可能是駕駛室空間尺寸較大，斜向距離也相對(duì)較大，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)剛度較小，較易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形；另外因駕駛室的多數(shù)結(jié)構(gòu)件都是沖壓板件，自身的固有模態(tài)頻率較低；前圍結(jié)構(gòu)單薄，預(yù)留孔洞較多，也容易引起變形。

（2）汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速時(shí)激勵(lì)頻率一般在15～20Hz之間，駕駛室第一階模態(tài)頻率22.743Hz，與之接近，極易引起共振；可以通過(guò)提高駕駛室剛度的方式來(lái)避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率。

（3）通過(guò)與同類型駕駛室模態(tài)進(jìn)行對(duì)比，此駕駛室模型的模態(tài)整體頻率、振型及分布趨勢(shì)與同類型駕駛室相似，進(jìn)一步驗(yàn)證了該駕駛室模型的正確性。

4 駕駛室剛度分析

汽車在行駛的過(guò)程中會(huì)遇到各種復(fù)雜工況，如凹凸的路面、加速、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等，對(duì)車身的壽命影響最大的往往是跨越溝槽、一輪懸空等特殊工況所造成的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。如果車身剛度不足，就會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過(guò)大變形甚至引起駕駛室開(kāi)裂。因此，要對(duì)駕駛室的結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行計(jì)算分析，使其滿足剛度要求。

對(duì)駕駛室剛度的計(jì)算包含彎曲剛度計(jì)算和扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算兩個(gè)方面。

4.1 駕駛室彎曲剛度計(jì)算

駕駛室彎曲剛度的大小表征的是其抵抗彎曲變形的能力，假設(shè)駕駛室是一個(gè)具有均勻彎曲剛度的梁，用來(lái)表示駕駛室的彎曲剛度。則駕駛室彎曲剛度的計(jì)算公式為[4]：

其中：EI— 駕駛室的彎曲剛度（N/mm）

F—駕駛室的彎曲載荷（N）

l—駕駛室彎曲工況下加載點(diǎn)處的相對(duì)變形（mm）

計(jì)算彎曲工況下駕駛室的彎曲剛度主要考慮駕駛室在滿載時(shí)（2名乘員和2個(gè)座椅）所引起的彎曲情況。乘員體重按每人70kg計(jì)算，座椅按每座10kg計(jì)算。駕駛室的約束和載荷條件如下：

（1）約束條件：計(jì)算時(shí)在駕駛室前后六個(gè)懸置點(diǎn)分別施加六個(gè)自由度的約束。

（2）載荷條件：在安裝座椅位置的地板上施加均布載荷，座椅和乘員的質(zhì)量共80Kg，乘員數(shù)為2人。

在Hypermesh有限元前處理軟件中設(shè)置好約束條件和載荷條件，導(dǎo)出彎曲剛度分析有限元模型，利用MSC.Patran載入該駕駛室模型，提交MSC·Nastran進(jìn)行計(jì)算，得到彎曲工況下駕駛室的變形云圖如圖7所示。

圖7 靜態(tài)彎曲工況下的駕駛室變形云圖

駕駛室彎曲工況下的變形云圖顯示，右側(cè)加載位置(座椅安裝部位)的變形量最大。加載位置處的位移量為1.02mm。根據(jù)公式（4.1）可以計(jì)算得到駕駛室的彎曲剛度為：EI=1568.63N/mm

4.2 駕駛室扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算

扭轉(zhuǎn)剛度指的是結(jié)構(gòu)抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力，當(dāng)駕駛室上作用有方向相反的垂向載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。扭轉(zhuǎn)工況計(jì)算考慮駕駛室兩個(gè)前懸置點(diǎn)正好處在一上一下時(shí)的扭轉(zhuǎn)變形。實(shí)踐表明：駕駛室產(chǎn)生最大的扭轉(zhuǎn)變形一般都是在汽車低速通過(guò)凹凸不平路面時(shí)發(fā)生的，駕駛室的扭轉(zhuǎn)特性可以近似地看作是靜態(tài)的。

假設(shè)駕駛室為一個(gè)具有均勻扭轉(zhuǎn)剛度的部件，用GI來(lái)表示駕駛室的扭轉(zhuǎn)剛度，駕駛室平均扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算公式為[4]：

其中： GI-- 駕駛室扭轉(zhuǎn)剛度（N·mm/°）

M--駕駛室所受扭矩（N·mm）

φ--扭轉(zhuǎn)工況下駕駛室前后軸的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角（°）

駕駛室的約束和載荷條件如下:

（1）約束條件：在后四個(gè)懸置點(diǎn)分別施加五個(gè)自由度的約束，使其可以繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）載荷條件：在左前懸置點(diǎn)和右前懸置點(diǎn)分別施加方向相反的垂直載荷，載荷大小設(shè)定為1000N，加載點(diǎn)之間的距離為550mm。得到扭轉(zhuǎn)工況下駕駛室的變形云圖如圖8所示。

圖8 扭轉(zhuǎn)工況下駕駛室變形云圖

結(jié)果顯示：最大位移為3.33mm，應(yīng)力為540MPa。

看云圖顏色分布顯示得出，懸置點(diǎn)位移分別為：1.67和1.93mm計(jì)算得其扭轉(zhuǎn)剛度為：=1.68*108N mm/rad

5 駕駛室強(qiáng)度分析

5.1 強(qiáng)度分析概述

強(qiáng)度通常是指構(gòu)件或材料在確定的外力作用下抵抗破壞的能力。從應(yīng)力分析來(lái)看要求構(gòu)件的最大應(yīng)力要小于材料的許用應(yīng)力，強(qiáng)度是衡量結(jié)構(gòu)本身承載能力的重要指標(biāo)，是機(jī)械零件正常工作必須滿足的最基本的條件[5]。強(qiáng)度除與材料自身的性能有關(guān)，還與構(gòu)件屈服極限、幾何形狀、邊界條件以及載荷有關(guān)，按外力作用、應(yīng)用場(chǎng)合的不同，強(qiáng)度分析還可分為靜強(qiáng)度分析和動(dòng)強(qiáng)度分析。

5.1.1 靜強(qiáng)度分析

靜強(qiáng)度分析靜強(qiáng)度是指構(gòu)件在靜載荷作用下的強(qiáng)度。駕駛室靜強(qiáng)度分析主要是指結(jié)構(gòu)在自身重量及所承受的外部靜載荷共同作用下的結(jié)構(gòu)分析。通?？紤]有扭轉(zhuǎn)工況、制動(dòng)工況、加速工況和轉(zhuǎn)彎工況等工況。

5.1.2 動(dòng)強(qiáng)度分析

動(dòng)強(qiáng)度通常也叫疲勞強(qiáng)度，指結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷的作用下的強(qiáng)度，其除了與構(gòu)件屈服極限、幾何形狀、邊界條件以及載荷因素有關(guān)外，還與應(yīng)力的變化次數(shù)有關(guān)。車輛的行駛狀況、道路條件以及結(jié)構(gòu)參數(shù)都會(huì)影響到汽車的動(dòng)載荷的頻率和大小，從而影響汽車結(jié)構(gòu)和部件的使用壽命。

在有限元分析過(guò)程中，多數(shù)工況都認(rèn)為是在受靜載荷工況下的模型進(jìn)行分析。本文主要在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下對(duì)駕駛室進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析。

5.2 駕駛室彎曲強(qiáng)度計(jì)算

彎曲強(qiáng)度分析的約束條件和加載條件與彎曲剛度分析一致。

通過(guò)計(jì)算，駕駛室彎曲工況的應(yīng)力云圖顯示，該工況下駕駛室的各處應(yīng)力都較小，彎曲工況下地板有明顯的彎曲變形，應(yīng)力集中在其加載位置，最大應(yīng)力在右加載處左右為75.4Mpa。得到靜態(tài)彎曲工況下駕駛室的應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 靜態(tài)彎曲工況下駕駛室的應(yīng)力云圖

根據(jù)材料力學(xué)，對(duì)于塑性材料而言其許用應(yīng)力為：

其中 σ5--材料屈服極限，235N/mm2；

n5--材料的安全系數(shù)，n5=1.5~2.5。

由公式 （5.1）計(jì)算得到材料的許用應(yīng)力區(qū)間為94 MPa—156.7MPa，上圖中駕駛室的最大應(yīng)力值為75.4MPa，通過(guò)比較，明顯小于材料的許用應(yīng)力，因此，在靜態(tài)彎曲工況下駕駛室不會(huì)因強(qiáng)度不夠發(fā)生破壞。

5.3 駕駛室扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度分析

在扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度分析中考慮的是滿載情況下（2名乘員和2個(gè)座椅）的扭轉(zhuǎn)工況，駕駛室的約束條件和載荷情況如下：

（1）約束條件：在后四個(gè)懸置點(diǎn)分別施加五個(gè)自由度的約束，使其可以繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）載荷條件：在駕駛室座椅安裝位置的地板上施加均布載荷，座椅和乘員的質(zhì)量共80Kg，乘員數(shù)為2人。

在左前懸置點(diǎn)和右前懸置點(diǎn)分別施加方向相反的垂直載荷（載荷使用分布力，選取懸置點(diǎn)周圍3圈網(wǎng)格施加），載荷大小設(shè)定為1000N，加載點(diǎn)之間的距離為550mm。結(jié)果顯示：最大應(yīng)力為129MPa。

圖10 靜態(tài)扭轉(zhuǎn)工況下的駕駛室應(yīng)力云圖

根據(jù)材料力學(xué)，對(duì)于塑性材料而言其許用應(yīng)力為：

其中 σ5— 材料屈服極限，235N/mm2；

n5— 材料的安全系數(shù)，n5=1.5~2.5。

計(jì)算得到材料許用應(yīng)力范圍為94 MPa~156.7MPa，而駕駛室在靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的最大應(yīng)力為129Mpa，在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，因此駕駛室不會(huì)發(fā)生破壞。

分析：計(jì)算所得最大位移和最大應(yīng)力普遍偏大，初步估計(jì)是由于鋼板厚度過(guò)低，施加力集中。實(shí)際運(yùn)用時(shí)，除了改善結(jié)構(gòu)和受力情況外還要盡量采取良好的減振措施。

6 結(jié) 語(yǔ)

駕駛室作為駕駛員的工作場(chǎng)所，是汽車的關(guān)鍵組成部分。汽車駕駛室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化必須考慮駕駛室的結(jié)構(gòu)安全性和駕駛員的乘坐舒適性。

通過(guò)對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析得到駕駛室的各階模態(tài)參數(shù)和振動(dòng)特性，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，從而避免駕駛室在外界激勵(lì)下產(chǎn)生共振。

對(duì)駕駛室進(jìn)行了靜力分析，采用MSC.NASTRAN有限元軟件對(duì)駕駛室在靜態(tài)彎曲和靜態(tài)扭轉(zhuǎn)兩種典型靜態(tài)工況下的剛度、強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析，得出了駕駛室在彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下的剛度值和最大應(yīng)力值，通過(guò)與駕駛室材料的許用應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，得出了駕駛室不會(huì)發(fā)生破壞的結(jié)論，找出了結(jié)構(gòu)在彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況下的應(yīng)力集中環(huán)節(jié)，即駕駛室容易破壞的薄弱區(qū)域，為駕駛室結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和參考。

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[2]胡玉梅.車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2006.

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[5]張良成等.材料力學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003：74-88.

U463

A

1674－5787（2011）02－0157－04

2011-01-31

徐中明（1963—），男，重慶大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事車輛動(dòng)力學(xué)及控制研究；劉洪光（1972—），男，重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，主要從事車輛NVH分析與控制研究。

責(zé)任編輯 李 燕