ADAMS在重載汽車駕駛室振動分析和結(jié)構(gòu)評價中的應(yīng)用

范 鈞

（成都工業(yè)學(xué)院電氣與電子工程系，四川成都 611730）

工業(yè)經(jīng)濟、高速公路、物流運輸?shù)刃袠I(yè)的飛速發(fā)展為國內(nèi)汽車行業(yè)的騰飛帶來了巨大契機，同時，也為商用重載汽車提供了巨大的市場空間。其中，“低噪聲、人性化”是當(dāng)今商用重型汽車體現(xiàn)高技術(shù)含量的主要發(fā)展趨勢。作為重型汽車的重要組成部分之一，駕駛室主要為駕駛員提供駕車、辦公或者休息的空間［1］。因此，良好的乘坐舒適度不僅可以減輕駕駛員的疲勞，而且也保證了駕駛員身體健康和行車安全。一般來說，對人體舒適性影響較大的振動主要表現(xiàn)為座椅、地板等對人體輸入的低頻振動，其頻率范圍在1～80Hz左右。此外，駕駛室整體的抖振也會對駕駛員舒適性產(chǎn)生較大的影響，而低頻（1～300 Hz）振動主要是由駕駛室的結(jié)構(gòu)振動引起的，因此駕駛室的動態(tài)特性是研究駕駛室振動舒適性的重要切入點［2］。

目前，國產(chǎn)重型駕駛室的振動和噪聲水平還不能適應(yīng)形勢發(fā)展的需要，已成為困擾卡車發(fā)展的重要因素之一。在這種情況下，開展駕駛室振動的研究，無論從經(jīng)濟價值或社會效益方面來看都具有重要意義［3］。根據(jù)研究，駕駛室地板振動影響其內(nèi)部噪聲，并且這種噪聲可以通過增加前梁鋼板厚度來降低。這一發(fā)現(xiàn)表明:在力的輸入點，如駕駛室安裝位置，可以通過前梁將力分散轉(zhuǎn)移至整個駕駛室?；诖耍诒疚闹?，通過建立重載汽車ADAMS 簡化模型來評估地板振動和前梁及其連接件的連接方式二者之間的關(guān)系，利用駕駛室有限元模型和載荷傳遞技術(shù)對駕駛室的安裝進行了載荷分布分析。

1 ADAMS駕駛室簡化模型

機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件（Automatic Dynnamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）是美國MDI（Mechanical Dynamics Inc.）公司開發(fā)的非常著名的虛擬樣機分析軟件，也是世界上應(yīng)用最廣泛且最具有權(quán)威性的機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件［4］。駕駛室實體模型的準(zhǔn)確性直接決定著后續(xù)計算結(jié)果的正確與否［5］。在本文中，駕駛室實體建模的主要思路是:（1）模型不要求與實際尺寸一致，重點在于結(jié)構(gòu)的整體性；（2）模型要考慮到有限元的工作，這個主要是力求降低模型的復(fù)雜性，避免為后續(xù)分析帶來巨大困擾。因此，簡化的駕駛室實體建模為:（1）駕駛室所有面件均為面體，著重考慮承重結(jié)構(gòu)；（2）適當(dāng)忽略諸如駕駛室的小尺寸結(jié)構(gòu)和過渡工藝結(jié)構(gòu)。

ADAMS駕駛室模型由帶有集中質(zhì)量的零部件連接在駕駛室安裝位置，包括前橫梁、縱梁、地板、駕駛室殼體以及確定剛度的連接部件。下述的模型對連接部件具體數(shù)據(jù)給出了估計值。圖1給出了簡化的駕駛室模型組成部分，圖2給出了ADAMS模型［6］。

圖1 駕駛室簡化模型圖

圖2 ADAMS模型圖

對ADAMS 模型進行特征分析，獲得了2 個200Hz以下的一般模型，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖4為利用一般模型計算駕駛室地板的力輸入和地板加速度的傳遞函數(shù)。計算結(jié)果與圖5 所示的測試結(jié)果近似。利用ADAMS振動模塊進行特征分析和響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前橫梁和駕駛室殼體剛度增加1倍時，駕駛室的噪音可以通過加厚前橫梁的厚度而減少。計算結(jié)果如圖5所示。

圖3 一般模型圖

圖4 傳遞函數(shù)設(shè)置

圖5 ADAMS振動模塊響應(yīng)分析結(jié)果

2 負荷轉(zhuǎn)移技術(shù)的概念

圖6解釋了一般結(jié)構(gòu)加載點和支持點間的相對剛度，其中，A、B 和C 分別是加載點、支持點和結(jié)構(gòu)上的任意點。方程（1）描述了負載和位移之間的關(guān)系，其中K 是相對剛度，P 是負載，d 是位移。圖6中的C 點被約束。U＊的值根據(jù)圖6的應(yīng)變能U 由方程（2）給出。

圖6 相對剛度

值U＊可以用于評價負荷轉(zhuǎn)移路徑。圖7顯示了一個U＊的等高線圖的例子。此圖中的箭頭代表從A點到B 點的載荷傳輸路徑。U＊沿載荷傳輸路線的特點可以用以評價結(jié)構(gòu)的質(zhì)量［7］。

圖7 載荷傳遞路徑

3 利用NASTRAN 進行載荷傳遞路徑分析

在NASTRAN 中創(chuàng)建了一個駕駛室地板的有限元模型用以計算U＊，該模型擁有約10 000個節(jié)點和10 000元素，如圖8所示。通過物理機實驗得知，噪聲主要與駕駛室安裝位置左側(cè)的負荷有關(guān)。因此，駕駛室安裝位置的加載點和節(jié)點位置的支撐點應(yīng)該與駕駛室殼體相連。通過NASTRAN 的靜態(tài)分析計算U＊的值，駕駛室地板的結(jié)果如圖9所示。結(jié)果顯示3種載荷傳遞路徑:路徑1沿前橫梁傳遞，路徑2傳至前橫梁左側(cè)，路徑3沿地板的大梁傳遞。圖10是這些路徑的概述。

圖8 有限元模型圖

圖9 U＊的分布和負載路徑

圖10 卡車駕駛室載荷傳遞路徑

根據(jù)圖11中3種不同的結(jié)構(gòu)，可以看出路徑1應(yīng)該修改。圖12表示了路徑1的均勻性和連續(xù)性。這種狀況不適合前橫梁與駕駛室殼體接觸位置的載荷傳遞。為了改善這種情況下，一些前橫梁結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)改裝。

圖11 3種結(jié)構(gòu)圖

圖12 負載路徑1的均勻性和連續(xù)性

這個結(jié)果與駕駛室簡化模型在ADAMS中的分析結(jié)果一致。這意味著，前橫梁厚度增加對地板振動的影響是由于圖1 中ADAMS簡化模型彈簧剛度增加的緣故。

4 結(jié)論

本文利用MSC.ADAMS和MSC.NASTRAN 研究降低卡車駕駛室地板的振動。ADAMS振動模塊用于評估駕駛室的假設(shè)組件之間的彈簧剛度。仿真結(jié)果表明:利用NASTRAN 的靜態(tài)分析負荷轉(zhuǎn)移路徑是有用的，而且，可以證實增加前橫梁和駕駛室殼體之間的連接彈簧剛度可以降低駕駛室地板的振動。

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［5］孫晉松.某型特種車輛駕駛室結(jié)構(gòu)分析研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2008.

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